KR20190086698A - 압축 가능 캐소드들이 있는 3차원 배터리들 - Google Patents
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Abstract
충전 상태와 방전 상태 사이에 사이클링하기 위한 2차 배터리가 제공된다. 이러한 2차 배터리는 애노드 구조체들의 집단, 캐소드 구조체들의 집단, 및 전기적 절연 미세다공성 분리기 재료를 갖는 전극 어셈블리를 갖는다. 이러한 전극 어셈블리는 전극 어셈블리의 성장을 적어도 부분적으로 저지하는 전극 제약들의 세트를 또한 갖는다. 애노드 구조체 집단의 멤버들은, 2차 배터리가 충전 상태에 있을 때, 제1 단면 면적, A1을 갖고, 2차 배터리가 방전 상태에 있을 때, 제2 단면 면적, A2을 갖고, 캐소드 구조체 집단의 멤버들은, 2차 배터리가 충전 상태에 있을 때, 제1 단면 면적, C1을 갖고, 2차 배터리가 방전 상태에 있을 때, 제2 단면 면적, C2을 갖고, A1은 A2 초과이고, C1은 C2 미만이다.
Description
본 개시 내용은 일반적으로 에너지 저장 디바이스들에서 사용하기 위한 구조체들, 이러한 구조체들을 이용하는 에너지 저장 디바이스들, 및 이러한 구조체들 및 에너지 디바이스들을 제조하기 위한 방법들에 관한 것이다.
흔들 의자식(rocking chair) 또는 삽입식 2차 배터리들은, 리튬, 나트륨, 칼륨, 칼슘 또는 마그네슘 이온들 등과 같은, 캐리어 이온들이 전해질을 통해 양극(positive electrode)과 음극(negative electrode) 사이에 이동하는 에너지 저장 디바이스의 타입이다. 2차 배터리는 단일 배터리 셀, 또는 배터리를 형성하도록 전기적으로 연결된 2개 이상의 배터리 셀들을 포함할 수 있으며, 각각의 배터리 셀은 양극, 음극, 미세다공성 분리기(microporous separator), 및 전해질을 포함한다.
흔들 의자식 배터리 셀들에서, 양극 및 음극 양자 모두는 캐리어 이온이 삽입되고 추출되는 재료들을 포함한다. 셀이 방전됨에 따라, 캐리어 이온들은 음극으로부터 추출되어 양극에 삽입된다. 셀이 충전됨에 따라, 역방향 프로세스가 발생한다: 캐리어 이온은 양극으로부터 추출되어 음극에 삽입된다.
캐리어 이온들이 전극들 사이에 이동할 때, 지속적인 과제들 중 하나는 배터리가 반복하여 충전되고 방전됨에 따라 전극들이 팽창하고 수축하는 경향이 있다는 사실에 존재한다. 전극들이 팽창할 때 전기적 단락들 및 배터리 장애들이 발생하기 때문에 사이클링 동안의 팽창 및 수축은 배터리의 신뢰성 및 사이클 수명에 대해 문제가 되는 경향이 있다.
따라서, 팽창 및 수축하는 경향이 있는 전극들을 갖는 2차 배터리들의 신뢰성 및 사이클 수명을 개선할 필요성이 남아 있다.
따라서, 간략하게, 본 개시 내용의 일 양태는 배터리들의 에너지 밀도, 신뢰성, 및 사이클 수명을 개선하기 위한 제약 구조체들의 구현에 관한 것이다.
일 양태에 따르면, 충전 상태와 방전 상태 사이에 사이클링하기 위한 2차 배터리가 제공되고, 이러한 2차 배터리는 배터리 인클로저, 전극 어셈블리, 캐리어 이온들, 및 배터리 인클로저 내의 비-수성 액체 전해질을 갖는다. 전극 어셈블리는 애노드 구조체들의 집단, 캐소드 구조체들의 집단, 및 애노드 및 캐소드 구조체 집단들의 멤버들을 전기적으로 분리하는 전기적 절연 미세다공성 분리기 재료를 갖고, 애노드 및 캐소드 구조체 집단들은 세로 방향으로 교대 시퀀스로 배열되고, 애노드 구조체 집단의 각각의 멤버는, 2차 배터리가 충전 상태에 있을 때, 제1 단면 면적, A1을 갖고 2차 배터리가 방전 상태에 있을 때, 제2 단면 면적, A2을 갖고, 캐소드 구조체 집단의 각각의 멤버는, 2차 배터리가 충전 상태에 있을 때, 제1 단면 면적, C1을 갖고 2차 배터리가 방전 상태에 있을 때, 제2 단면 면적, C2을 갖고, 애노드 및 캐소드 구조체 집단들의 멤버들의 단면 면적들은 세로 방향에 평행한 제1 세로 평면에서 측정된다. 전극 어셈블리는 충전 상태와 방전 상태 사이의 2차 배터리의 사이클링 시에 세로 방향으로의 전극 어셈블리의 성장을 적어도 부분적으로 저지하는 전극 제약들의 세트를 또한 갖는다. 캐소드 구조체들의 집단의 각각의 멤버는 캐소드 활성 재료의 층을 갖고, 애노드 구조체들의 집단의 각각의 멤버는 2차 배터리가 방전 상태로부터 충전 상태로 충전될 때 애노드 활성 재료의 몰 당 1 몰 초과의 캐리어 이온을 수용하는 용량을 갖는 애노드 활성 재료의 층을 갖고, A1는 애노드 구조체 집단의 서브세트의 멤버들 각각에 대해 A2 초과이고, C1은 캐소드 구조체 집단의 서브세트의 멤버들 각각에 대해 C2 미만이다. 충전 상태는 2차 배터리의 정격 용량의 적어도 75%이고, 방전 상태는 2차 배터리의 정격 용량의 25% 미만이다.
또 다른 양태에 따르면, 2차 배터리를 위한 형성의 방법이 제공되고, 이러한 2차 배터리는 충전 상태와 방전 상태 사이에 사이클링할 수 있다. 2차 배터리는 배터리 인클로저, 전극 어셈블리, 캐리어 이온들, 및 배터리 인클로저 내의 비-수성 액체 전해질을 갖는다. 전극 어셈블리는 애노드 구조체들의 집단, 캐소드 구조체들의 집단, 및 애노드 및 캐소드 구조체 집단들의 멤버들을 전기적으로 분리하는 전기적 절연 미세다공성 분리기 재료를 갖는다. 애노드 및 캐소드 구조체 집단들의 멤버들은 세로 방향으로 교대 시퀀스로 배열되고, 애노드 구조체들의 집단의 멤버들은 2차 배터리의 충전 시에 단면 면적 A에서 팽창되는 애노드 활성 재료 층들을 갖는다. 캐소드 구조체들의 집단의 멤버들은 단면 면적 C를 갖는 압축 가능 캐소드 활성 재료 층들을 갖고, 이러한 단면 면적들은 세로 방향에 평행한 제1 세로 평면에서 측정된다. 이러한 방법은 초기 형성 스테이지에서, 초기 형성 스테이지에서, 캐소드 구조체 집단의 서브세트의 멤버들의 단면 면적이 초기 형성 스테이지 이전의 초기 단면 면적 Ci로부터 초기 형성 스테이지 이전의 초기 단면 면적 Ci의 95% 미만인 초기 형성 스테이지 이후의 형성 후 단면 면적 Cf로 감소하도록, 애노드 구조체들의 집단의 멤버들에서의 애노드 활성 재료 층들의 단면 면적에서의 팽창이 캐소드 구조체의 집단의 압축 가능 캐소드 활성 재료 층들을 압축하도록 2차 배터리를 충전하는 단계를 포함한다.
또 다른 양태에 따르면, 2차 배터리를 위한 형성의 방법이 제공되고, 이러한 2차 배터리는 충전 상태와 방전 상태 사이에 사이클링할 수 있다. 2차 배터리는 배터리 인클로저, 전극 어셈블리, 캐리어 이온들, 및 배터리 인클로저 내의 비-수성 액체 전해질을 갖는다. 전극 어셈블리는 애노드 구조체들의 집단, 캐소드 구조체들의 집단, 및 애노드 및 압축 가능 캐소드 구조체 집단들의 멤버들을 전기적으로 절연하는 전기적 절연 미세다공성 분리기들을 갖는다. 애노드 및 캐소드 구조체 집단들의 멤버들은 세로 방향으로 교대 시퀀스로 배열되고, 애노드 구조체들의 집단의 멤버들은 2차 배터리의 충전 시에 단면 면적 A에서 팽창되는 애노드 활성 재료 층들을 갖는다. 캐소드 구조체들의 집단의 멤버들은 단면 면적 C를 갖는 압축 가능 캐소드 활성 재료 층들을 갖고, 이러한 단면 면적들은 세로 방향에 평행한 제1 세로 평면에서 측정된다. 이러한 방법은, 초기 형성 스테이지에서, 애노드 구조체들의 집단의 멤버들에서의 애노드 활성 재료 층들의 팽창이, 미세다공성 분리기들을, 압축 가능 캐소드 활성 재료 층들의 단면 면적 C를 수축시키는, 한편 미세다공성 분리기들을 캐소드 구조체들의 압축 가능 캐소드 활성 재료 층들 및 애노드 구조체들의 애노드 활성 재료 층들에 또한 적어도 부분적으로 부착하는 압력에서 캐소드 구조체들의 압축 가능 캐소드 활성 재료 층들에 대해 압축하도록 2차 배터리를 충전하는 단계를 포함하고, 2차 배터리의 방전 및 애노드 활성 재료 층들의 단면 면적 A에서의 수축 시에, 미세다공성 분리기들의 압축 가능 캐소드 활성 재료 층들 및 애노드 활성 재료 층들로의 적어도 부분적인 부착은 압축 가능 캐소드 활성 재료 층들의 단면 면적 C에서의 팽창을 야기한다.
또 다른 양태에 따르면, 충전 상태와 방전 상태 사이에 사이클링하기 위한 2차 배터리가 제공되고, 이러한 2차 배터리는 배터리 인클로저, 전극 어셈블리, 캐리어 이온들, 및 배터리 인클로저 내의 비-수성 액체 전해질을 갖는다. 전극 어셈블리는 애노드 구조체들의 집단, 캐소드 구조체들의 집단, 및 애노드 및 캐소드 구조체 집단들의 멤버들을 전기적으로 분리하는 전기적 절연 미세다공성 분리기 재료를 갖는다. 전극 어셈블리는 2차 배터리의 사이클링 시에 세로 방향으로의 전극 어셈블리의 성장을 적어도 부분적으로 저지하는 전극 제약들의 세트를 또한 갖는다. 애노드 구조체들의 집단의 멤버들은 애노드 활성 재료를 갖고, 애노드 활성 재료는 2차 배터리가 방전 상태로부터 충전 상태로 충전될 때 애노드 활성 재료의 몰 당 1 몰 초과의 캐리어 이온을 수용하는 용량을 갖는다. 캐소드 구조체들의 집단의 멤버들은 다공성 캐소드 활성 재료를 갖고, 방전 상태에서 비-수성 액체 전해질에 의해 점유되는 다공성 캐소드 활성 재료의 체적 V2는 충전 상태에서 비-수성 전해질에 의해 점유되는 다공성 캐소드 활성 재료의 체적 V1 초과이다. 충전 상태는 2차 배터리의 정격 용량의 적어도 75%이고, 방전 상태는 2차 배터리의 정격 용량의 25% 미만이다.
또 다른 양태에 따르면, 충전 상태와 방전 상태 사이에 사이클링하기 위한 2차 배터리가 제공되고, 이러한 2차 배터리는 배터리 인클로저, 전극 어셈블리, 캐리어 이온들, 및 배터리 인클로저 내의 비-수성 액체 전해질을 갖는다. 전극 어셈블리는 애노드 구조체들의 집단, 캐소드 구조체들의 집단, 및 애노드 및 캐소드 구조체 집단들의 멤버들을 전기적으로 분리하는 전기적 절연 미세다공성 분리기 재료를 갖는다. 애노드 구조체들의 집단의 멤버들은 애노드 활성 재료를 갖고, 캐소드 구조체들의 집단의 멤버들은 캐소드 활성 재료를 갖는다. 캐소드 구조체들의 집단의 멤버들은 0.1C에서 적어도 5 mA·h/cm2의 면적 용량, 및 충전 상태로부터 방전 상태로의 방전에 대해 적어도 80%의 1C:C/10의 레이트 능력을 갖는다. 충전 상태는 2차 배터리의 정격 용량의 적어도 75%이고, 방전 상태는 2차 배터리의 정격 용량의 25% 미만이다.
또 다른 양태에 따르면, 충전 상태와 방전 상태 사이에 사이클링하기 위한 2차 배터리가 제공되고, 이러한 2차 배터리는 배터리 인클로저, 전극 어셈블리, 캐리어 이온들, 및 배터리 인클로저 내의 비-수성 액체 전해질을 갖는다. 전극 어셈블리는 애노드 구조체들의 집단, 캐소드 구조체들의 집단, 및 애노드 및 캐소드 구조체 집단들의 멤버들을 전기적으로 분리하는 전기적 절연 미세다공성 분리기 재료를 갖고, 애노드 및 캐소드 구조체 집단들의 멤버들은 세로 방향으로 교대 시퀀스로 배열된다. 애노드 구조체들의 집단의 각각의 멤버는 애노드 활성 재료의 층을 갖고, 캐소드 구조체들의 집단의 각각의 멤버는 캐소드 활성 재료의 층을 갖는다. 캐소드 구조체들의 집단의 각각의 멤버는 2차 배터리가 충전 상태에 있을 때 제1 단면 면적 C1을 갖고, 2차 배터리가 방전 상태에 있을 때 제2 단면 면적 C2를 갖고, 방전 상태에서의 캐소드 구조체들의 제2 단면 면적 C2는 충전 상태에서의 캐소드 구조체들의 제1 단면 면적 C1 초과이고, 캐소드 구조체들의 집단의 멤버들의 서브세트의 제2 단면 면적 C2 대 캐소드 구조체들의 집단의 멤버들의 서브세트의 제1 단면 면적 C1의 비율은 충전 상태로부터 방전 상태로의 2차 배터리의 방전 시에 적어도 1.05:1이다. 충전 상태는 2차 배터리의 정격 용량의 적어도 75%이고, 방전 상태는 2차 배터리의 정격 용량의 25% 미만이다.
본 개시 내용의 다른 양태들, 특징들 및 실시예들이 다음 설명 및 도면에서, 부분적으로, 논의될 것이고, 부분적으로, 명백할 것이다.
도 1a는 캐소드 구조체들의 집단 및 애노드 구조체들의 집단을 갖는 전극 어셈블리의 일 실시예의 개략도이다.
도 1b는 캐소드 구조체들의 집단 및 애노드 구조체들의 집단을 갖는 전극 어셈블리의 일 실시예의 사시도이다.
도 1c는 캐소드 구조체들의 집단 및 애노드 구조체들의 집단, 및 제1 세로 평면을 갖는 전극 어셈블리의 일 실시예의 사시도이다.
도 1d는 캐소드 구조체들의 집단 및 애노드 구조체들의 집단의 단면 면적들을 도시하는 전극 어셈블리의 실시예의 단면도이다.
도 1e는 애노드 구조체의 대향하는 표면 면적을 도시하는 전극 어셈블리의 실시예의 단면도이다.
도 2a 내지 도 2c는 캐소드 구조체들의 집단이 있는 전극 어셈블리의 실시예의 단면도들이다.
도 3은 캐소드 활성 재료의 층의 실시예의 개략도이다.
도 4a 및 도 4b는 다공성인 캐소드 활성 재료의 층들을 갖는 캐소드 구조체들이 있는 전극 어셈블리의 실시예의 단면도들이다.
도 5a 내지 5h는 전극 어셈블리에 대한 상이한 형상들 및 크기들의 예시적인 실시예들을 도시한다.
도 6a는 도 1b에 도시되는 바와 같이 라인 A-A'를 따라 취해지는 전극 어셈블리의 실시예의 단면을 도시하고, 1차 및 2차 성장 제약 시스템들의 엘리먼트들을 추가로 도시한다.
도 6b는 도 1b에 도시되는 바와 같이 라인 B-B'를 따라 취해지는 전극 어셈블리의 실시예의 단면을 도시하고, 1차 및 2차 성장 제약 시스템들의 엘리먼트들을 추가로 도시한다.
도 6c는 도 1b에 도시되는 바와 같이 라인 B-B'를 따라 취해지는 전극 어셈블리의 실시예의 단면을 도시하고, 1차 및 2차 성장 제약 시스템들의 엘리먼트들을 추가로 도시한다.
도 6d는 도 1b에 도시되는 바와 같이 라인 A-A1'를 따라 취해지는 전극 어셈블리의 실시예의 단면도를 도시한다.
도 7은, 1차 제약 시스템의 일 실시예 및 2차 제약 시스템의 일 실시예를 포함하는, 전극 제약들의 세트를 추가로 포함하는, 도 1b에 도시되는 바와 같이 라인 A-A'를 따라 취해지는 전극 어셈블리의 실시예의 단면을 도시한다.
도 8은 전극 어셈블리에 걸쳐 다공성 성장 제약의 평면도의 일 실시예를 도시한다.
도 9는 압축 가능 캐소드 구조체들을 갖는 에너지 저장 디바이스 또는 2차 배터리의 실시예의 분해도를 도시한다.
도 1b는 캐소드 구조체들의 집단 및 애노드 구조체들의 집단을 갖는 전극 어셈블리의 일 실시예의 사시도이다.
도 1c는 캐소드 구조체들의 집단 및 애노드 구조체들의 집단, 및 제1 세로 평면을 갖는 전극 어셈블리의 일 실시예의 사시도이다.
도 1d는 캐소드 구조체들의 집단 및 애노드 구조체들의 집단의 단면 면적들을 도시하는 전극 어셈블리의 실시예의 단면도이다.
도 1e는 애노드 구조체의 대향하는 표면 면적을 도시하는 전극 어셈블리의 실시예의 단면도이다.
도 2a 내지 도 2c는 캐소드 구조체들의 집단이 있는 전극 어셈블리의 실시예의 단면도들이다.
도 3은 캐소드 활성 재료의 층의 실시예의 개략도이다.
도 4a 및 도 4b는 다공성인 캐소드 활성 재료의 층들을 갖는 캐소드 구조체들이 있는 전극 어셈블리의 실시예의 단면도들이다.
도 5a 내지 5h는 전극 어셈블리에 대한 상이한 형상들 및 크기들의 예시적인 실시예들을 도시한다.
도 6a는 도 1b에 도시되는 바와 같이 라인 A-A'를 따라 취해지는 전극 어셈블리의 실시예의 단면을 도시하고, 1차 및 2차 성장 제약 시스템들의 엘리먼트들을 추가로 도시한다.
도 6b는 도 1b에 도시되는 바와 같이 라인 B-B'를 따라 취해지는 전극 어셈블리의 실시예의 단면을 도시하고, 1차 및 2차 성장 제약 시스템들의 엘리먼트들을 추가로 도시한다.
도 6c는 도 1b에 도시되는 바와 같이 라인 B-B'를 따라 취해지는 전극 어셈블리의 실시예의 단면을 도시하고, 1차 및 2차 성장 제약 시스템들의 엘리먼트들을 추가로 도시한다.
도 6d는 도 1b에 도시되는 바와 같이 라인 A-A1'를 따라 취해지는 전극 어셈블리의 실시예의 단면도를 도시한다.
도 7은, 1차 제약 시스템의 일 실시예 및 2차 제약 시스템의 일 실시예를 포함하는, 전극 제약들의 세트를 추가로 포함하는, 도 1b에 도시되는 바와 같이 라인 A-A'를 따라 취해지는 전극 어셈블리의 실시예의 단면을 도시한다.
도 8은 전극 어셈블리에 걸쳐 다공성 성장 제약의 평면도의 일 실시예를 도시한다.
도 9는 압축 가능 캐소드 구조체들을 갖는 에너지 저장 디바이스 또는 2차 배터리의 실시예의 분해도를 도시한다.
정의들
본 명세서에 사용되는 바와 같은 "a", "an" 및 "the"(즉, 단수 형태들)는 맥락이 명확하게 달리 지시하지 않는 한 복수의 지시대상들을 지칭한다. 예를 들어, 하나의 사례에서, "전극(an electrode)"이라는 지칭은 단일의 전극 및 복수의 유사한 전극들 양자 모두를 포함한다.
본 명세서에 사용되는 바와 같은 "약(about)" 및 "대략(approximately)"은 언급된 값의 플러스 또는 마이너스 10%, 5%, 또는 1%를 지칭한다. 예를 들어, 하나의 사례에서, 약 250 μm는 225 μm 내지 275 μm를 포함할 것이다. 추가의 예로서, 하나의 사례에서, 약 1,000 μm은 900 μm 내지 1,100 μm을 포함할 것이다. 달리 표시되지 않는 한, 명세서 및 청구항들에서 사용되는 수량들(예를 들어, 측정들 등) 등을 표현하는 모든 숫자들은 모든 사례들에서 "약(about)"이라는 용어에 의해 수정되는 것으로서 이해되어야 한다. 따라서, 반대로 표시되지 않는 한, 다음의 명세서 및 첨부된 청구항들에 제시되는 수치 파라미터들은 근사화들이다. 각각의 수치 파라미터는 보고된 중요 디지트들의 수에 비추어 그리고 통상의 반올림 기법들을 적용하는 것에 의해 적어도 해석되어야 한다.
2차 배터리의 맥락에서 본 명세서에 사용되는 바와 같은 "면적 용량(areal capacity)"은 단위 면적 당 배터리의 용량을 지칭하며, 이러한 면적은 캐소드 구조에 대면하는 애노드 구조체(다공률을 무시함)의 일부분의 기하학적 면적이며, 2차 배터리의 모든 애노드 구조체들에 걸쳐 합산된다. 이러한 면적 용량은, 0.1C와 같은, 특정 C-레이트로 또한 통상적으로 명시될 것이다. 예를 들어, 배터리의 정격 용량이 0.1C의 C-레이트에서 1000 mA·h이고, 각각의 캐소드 구조에 대면하는 각각의 애노드 구조체의 부분의 기하학적 면적이 250 cm2이고, (2개의 대향하는 측들을 각각 갖는) 5개의 애노드 구조들이 존재하면, 면적 용량은 1000/(250X5X2) = 0.4mA·h/cm2 이다.
본 명세서에 사용되는 바와 같은 "C-레이트(C-rate)"는 2차 배터리가 방전되는 레이트의 척도를 지칭하고, 방전 전류를 배터리가 1 시간 내에 자신의 공칭 정격 용량을 전달할 이론적인 유입 전류(current draw)로 나눈 것으로서 정의된다. 예를 들어, 1C의 C-레이트는 1 시간 내에 배터리를 방전시키는 방전 전류를 표시하고, 2C의 레이트는 1/2 시간 내에 배터리를 방전시키는 방전 전류를 표시하고, C/2의 레이트는 2 시간 내에 배터리를 방전시키는 방전 전류를 표시하고, 등이다.
2차 배터리의 상태의 맥락에서 본 명세서에 사용되는 바와 같은 "충전 상태(charged state)"는 2차 배터리가 자신의 정격 용량의 적어도 75%로 충전되는 상태를 지칭한다. 예를 들어, 배터리는 자신의 정격 용량의 적어도 80%, 자신의 정격 용량의 적어도 90%, 그리고 심지어, 자신의 정격 용량의 100%와 같은, 자신의 정격 용량의 적어도 95%로 충전될 수 있다.
2차 배터리의 상태의 맥락에서 본 명세서에 사용되는 바와 같은 "방전 상태(discharged state)"는 2차 배터리가 자신의 정격 용량의 25% 미만으로 방전되는 상태를 지칭한다. 예를 들어, 배터리는, 자신의 정격 용량의 10% 미만과 같은, 자신의 정격 용량의 20% 미만, 그리고 심지어, 자신의 정격 용량의 0%와 같은, 자신의 정격 용량의 5% 미만으로 방전될 수 있다.
충전 상태와 방전 상태 사이의 2차 배터리의 사이클링의 맥락에서 본 명세서에 사용되는 바와 같은 "사이클(cycle)"은 배터리를 충전 및/또는 방전시켜 배터리를 사이클에서 충전 상태 또는 방전 상태 중 어느 하나인 제1 상태로부터 제1 상태의 반대인 제2 상태(즉, 제1 상태가 방전이라면 충전 상태, 또는 제1 상태가 충전이라면 방전 상태)로 이동시키고, 다음으로 배터리를 다시 제1 상태로 이동시켜 이러한 사이클을 완료하는 것을 지칭한다. 예를 들어, 충전 상태와 방전 상태 사이의 2차 배터리의 단일 사이클은, 충전 사이클에서와 같이, 배터리를 방전 상태로부터 충전 상태로 충전시키고, 다음으로 다시 방전 상태로 방전시켜, 사이클을 완료하는 것을 포함할 수 있다. 단일 사이클은, 방전 사이클에서와 같이, 배터리를 충전 상태로부터 방전 상태로 방전시키고, 다음으로 다시 충전 상태로 충전시켜, 사이클을 완료하는 것을 또한 포함할 수 있다.
전극 어셈블리에 관련하여 본 명세서에 지칭되는 바와 같은 "페렛 직경(Feret diameter)"은 2개의 평면들에 수직인 방향으로 측정되는 전극 어셈블리를 제한하는 2개의 평행한 평면들 사이의 거리로서 정의된다. 예를 들어, 세로 방향으로의 전극 어셈블리의 페렛 직경은 세로 방향에 수직인 전극 어셈블리를 제한하는 2개의 평행한 평면들 사이의 세로 방향으로 측정되는 바와 같은 거리이다. 다른 예로서, 가로 방향으로의 전극 어셈블리의 페렛 직경은 가로 방향에 수직인 전극 어셈블리를 제한하는 2개의 평행한 평면들 사이의 가로 방향으로 측정되는 바와 같은 거리이다. 또 다른 예로서, 수직 방향으로의 전극 어셈블리의 페렛 직경은 수직 방향에 수직인 전극 어셈블리를 제한하는 2개의 평행한 평면들 사이의 수직 방향으로 측정되는 바와 같은 거리이다.
본 명세서에서 전극 구조체(예를 들어, 애노드 구조체 및/또는 캐소드 구조체)의 적어도 하나의 치수(예를 들어, 폭), 단면 면적, 및/또는 체적에서의 변경에 관련하여 사용되는 바와 같은 "역으로 관련되는(inversely related)"은, 이러한 변경의 부호가 상대 전극 구조체에서의 동일한 치수, 단면 및/또는 체적에서의 변경의 부호의 것과 반대인 것을 지칭한다. 예를 들어, 애노드 구조체의 폭에서의 증가에 대해, 그것에 역으로 관련되는 캐소드 구조체의 폭 치수에서의 변경은 캐소드 구조체의 폭에서의 감소일 것이다. 다른 예로서, 애노드 구조체의 단면 면적에서의 증가에 대해, 그것에 역으로 관련되는 캐소드 구조체의 단면 면적에서의 변경은 캐소드 구조체의 단면 면적에서의 감소일 것이다. 유사하게, 애노드 구조체의 폭에서의 감소에 대해, 그것에 역으로 관련되는 캐소드 구조체의 폭 치수에서의 변경은 캐소드 구조체의 폭에서의 증가일 것이다. 다른 예로서, 애노드 구조체의 단면 면적에서의 감소에 대해, 그것에 역으로 관련되는 캐소드 구조체의 단면 면적에서의 변경은 캐소드 구조체의 단면 면적에서의 증가일 것이다. 추가의 예로서, 캐소드 구조체의 폭에서의 증가에 대해, 그것에 역으로 관련되는 애노드 구조체의 폭 치수에서의 변경은 애노드 구조체의 폭에서의 감소일 것이다. 다른 예로서, 캐소드 구조체의 단면 면적에서의 증가에 대해, 그것에 역으로 관련되는 애노드 구조체의 단면 면적에서의 변경은 애노드 구조체의 단면 면적에서의 감소일 것이다. 유사하게, 캐소드 구조체의 폭에서의 감소에 대해, 그것에 역으로 관련되는 애노드 구조체의 폭 치수에서의 변경은 애노드 구조체의 폭에서의 증가일 것이다. 다른 예로서, 캐소드 구조체의 단면 면적에서의 감소에 대해, 그것에 역으로 관련되는 애노드 구조체의 단면 면적에서의 변경은 애노드 구조체의 단면 면적에서의 증가일 것이다.
본 명세서에 사용되는 바와 같은 "세로 축(longitudinal axis)", "가로 축(transverse axis)", 및 "수직 축(vertical axis)"은 상호 수직인 축들(즉, 각각이 서로 직교임)을 지칭한다. 예를 들어, 본 명세서에 사용되는 바와 같은 "세로 축(longitudinal axis)", "가로 축(transverse axis)", 및 "수직 축(vertical axis)"은 3차원 양태들 또는 배향들을 정의하는데 사용되는 데카르트 좌표계(Cartesian coordinate system)와 유사하다. 이와 같이, 본 명세서에서의 발명 주제의 엘리먼트들의 설명들은 이러한 엘리먼트들의 3차원 배향들을 설명하는데 사용되는 특정 축 또는 축들에 제한되는 것은 아니다. 대안적으로 언급되면, 발명 주제의 3차원 양태들을 지칭할 때 이러한 축들이 교환 가능할 수 있다.
본 명세서에 사용되는 바와 같은 "세로 방향(longitudinal direction)", "가로 방향(transverse direction)", 및 "수직 방향(vertical direction)"은 상호 수직인 방향들(즉, 각각이 서로 직교임)을 지칭한다. 예를 들어, 본 명세서에 사용되는 바와 같은 "세로 방향(longitudinal direction)", "가로 방향(transverse direction)", 및 "수직 방향(vertical direction)"은 3차원 양태들 또는 배향들을 정의하는데 사용되는 데카르트 좌표계의 세로 축, 가로 축, 및 수직 축에, 각각, 일반적으로 평행할 수 있다.
2차 배터리의 충전 상태와 방전 상태 사이의 사이클링의 맥락에서 본 명세서에 사용되는 바와 같은 "반복 사이클링(repeated cycling)"은 방전 상태로부터 충전 상태로, 또는 충전 상태로부터 방전 상태로 1회 초과 사이클링하는 것을 지칭한다. 예를 들어, 방전 상태와 충전 상태 사이의 반복 사이클링은, 방전 상태로부터 충전 상태로 충전시키는 것, 다시 방전 상태로 방전시키는 것, 다시 충전 상태로 충전시키는 것 그리고 최종적으로 다시 방전 상태로 방전시키는 것과 같이, 방전 상태로부터 충전 상태로 적어도 2회 사이클링하는 것을 포함할 수 있다. 또 다른 예로서, 적어도 2 회 충전 상태와 방전 상태 사이의 반복 사이클링은 충전 상태로부터 방전 상태로 방전하는 것, 충전 상태로 다시 충전하는 것, 방전 상태로 다시 방전하는 것 그리고 최종적으로 충전 상태로 다시 충전하는 것을 포함할 수 있다. 추가의 예로서, 충전 상태와 방전 상태 사이의 반복 사이클링은 방전 상태로부터 충전 상태로 적어도 5회, 그리고 심지어 적어도 10회 사이클링하는 것을 포함할 수 있다. 추가의 예로서, 충전 상태와 방전 상태 사이의 반복 사이클링은 방전 상태로부터 충전 상태 사이로 적어도 25회, 50회, 100회, 300회, 500회 그리고 심지어 1000회 사이클링하는 것을 포함할 수 있다.
2차 배터리의 맥락에서 본 명세서에 사용되는 바와 같은 "레이트 능력(rate capability)"은, 백분율로서 표현되는, 제1 C-레이트에서의 2차 배터리의 용량 대 제2 C-레이트에서의 2차 배터리의 용량의 비율을 지칭한다. 예를 들어, 이러한 레이트 능력은 Capacity1/Capacity2 X 100에 따라 계산될 수 있고, 여기서 Capacity1은, 1C의 C-레이트와 같은, 제1 C-레이트로 방전하기 위한 용량이고, Capacity2는, C/10레이트의 C-레이트와 같은 제2 C-레이트로 방전하기 위한 용량이고, 명시되는 비율 CX:Cy에 대한 계산된 백분율로서 표현될 수 있고, 여기서 Cx는 제1 C-레이트이고, Cy 는 제2 C-레이트이다.
2차 배터리의 맥락에서 본 명세서에 사용되는 바와 같은 "정격 용량(rated capacity)"은 표준 온도 조건들(25℃) 하에서 측정되는 바와 같은, 기간에 걸쳐 명시된 전류를 전달하는 2차 배터리의 용량을 지칭한다. 예를 들어, 이러한 정격 용량은, 명시된 시간 동안 전류 출력을 결정하는 것에 의해, 또는 명시된 전류에 대해 전류가 출력될 수 있는 시간을 결정하고, 전류와 시간의 곱을 취하는 것에 의해, 암페어·시간(Amp·hour)의 단위들로 측정될 수 있다. 예를 들어, 정격이 20 Amp·hr인 배터리에 대해, 전류가 정격에 대해 2 암페어로 명시되면, 배터리는 10 시간 동안 그 전류 출력을 제공할 것인 것으로 이해될 수 있으며, 반대로 정격에 대해 시간이 10 시간으로 명시되면, 배터리는 10 시간 동안 2 암페어를 출력할 것인 것으로 이해될 수 있다. 특히, 2차 배터리에 대한 정격 용량은, C-레이트와 같은, 명시된 방전 전류에서의 정격 용량으로서 주어질 수 있고, 여기서 C-레이트는 배터리가 자신의 용량에 대해 방전되는 레이트의 척도이다. 예를 들어, 1C의 C-레이트는 1 시간 내에 배터리를 방전시키는 방전 전류를 표시하고, 2C는 1/2 시간 내에 배터리를 방전시키는 방전 전류를 표시하고, C/2는 2 시간 내에 배터리를 방전시키는 방전 전류를 표시하고, 등이다. 따라서, 예를 들어, 정격이 1C의 C-레이트에서 20 Amp·hr인 배터리는 1 시간 동안 20 암페어의 방전 전류를 제공할 것이고, 한편 정격이 2C의 C-레이트에서 20 Amp·hr인 배터리는 ½ 시간 동안 40 암페어의 방전 전류를 제공할 것이고, 정격이 C/2의 C-레이트에서 20 Amp·hr인 배터리는 2 시간에 걸쳐 10 암페어의 방전 전류를 제공할 것이다.
전극 어셈블리의 치수의 맥락에서 본 명세서에 사용되는 바와 같은 "최대 폭(maximum width)"(WEA)은 세로 방향으로 전극 어셈블리의 세로 단부 표면들의 대향하는 포인트들로부터 측정되는 바와 같은 전극 어셈블리의 최대 폭에 대응한다.
전극 어셈블리의 치수의 맥락에서 본 명세서에 사용되는 바와 같은 "최대 길이(maximum length)"(LEA)는 가로 방향으로 전극 어셈블리의 측방향 표면의 대향하는 포인트들로부터 측정되는 바와 같은 전극 어셈블리의 최대 길이에 대응한다.
전극 어셈블리의 치수의 맥락에서 본 명세서에 사용되는 바와 같은 "최대 높이(maximum height)"(HEA)는 가로 방향으로 전극 어셈블리의 측방향 표면의 대향하는 포인트들로부터 측정되는 바와 같은 전극 어셈블리의 최대 높이에 대응한다.
본 명세서에 사용되는 바와 같은 "다공률(porosity)" 또는 "공극률(void fraction)"은 총 체적에 걸쳐 체적에서의 공극들의 분율을 지칭하고, 백분율로서 표현될 수 있다. 예를 들어, 캐소드 활성 재료 층의 다공률은 총 층 체적 당 층 내의 공극들에 의해 이루어지는 체적의 분율이다. 2차 배터리의 맥락에서, 캐소드 활성 재료 층에서의 공극들은 2차 배터리의 충전 및/또는 방전 동안, 액체 전해질과 같은, 전해질로 적어도 부분적으로 채워질 수 있고, 이와 같이 다공률 또는 공극률은 잠재적으로 전해질에 의해 점유될 수 있는 층의 체적 분율의 척도일 수 있다.
<상세한 설명>
일반적으로, 본 개시 내용의 양태들은, 충전 상태와 방전 상태 사이에 사이클링하는, 예를 들어 도 1a 및 도 1b 및/또는 도 9에 도시되는 바와 같은, 2차 배터리(102)와 같은, 에너지 저장 디바이스(100)(예를 들어, 도 9 참조)에 관한 것이다. 2차 배터리(102)는 배터리 인클로저(104), 전극 어셈블리(106), 캐리어 이온들, 및 배터리 인클로저 내의 비-수성 액체 전해질을 포함한다. 도 1a에 도시되는 바와 같은 실시예에서, 전극 어셈블리(106)는 애노드 구조체들(110)(즉, 음극 구조체들)의 집단, 캐소드 구조체들(112)(예를 들어, 양극 구조체들)의 집단, 및 애노드 구조체들(110 및 112)의 집단들의 멤버들을 전기적으로 분리하도록 배열되는 전기적 절연 미세다공성 분리기들(130)을 포함한다.
일 실시예에 따르면, 본 개시 내용의 양태들은, 충전 상태와 방전 상태 사이의 2차 배터리(102)의 사이클링 시에 애노드 구조체들(110)의 집단의 멤버들이 팽창 및/또는 수축하는 경우에, 2차 배터리들(102)과 같은, 에너지 저장 디바이스들(100)에서 발생할 수 있는 이슈들에 대처하는 것에 관한 것이다. 예를 들어, 애노드 구조체들(110)은, 애노드 구조체의 체적에서의 증가를 생성하기에 충분한 양으로, 캐리어 이온들로 삽입하거나 또는 이들로 합금하는 것에 의해서와 같이, 2차 배터리(102)의 충전 동안 캐리어 이온들을 수용하는 애노드 활성 재료의 층(132)(예를 들어, 도 7 참조)을 포함할 수 있다. 도 1a를 참조하면, 3차원 전극 어셈블리(106)의 실시예는 서로 상호 맞물리는 애노드 구조체들(110) 및 캐소드 구조체들(112)의 교대 세트가 있는 것으로 도시되고, 이는 적층 방향 D에 일반적으로 평행한 세로 축 AEA(도 1a에서, Y 축에 평행한 것으로 묘사됨), X 축에 일반적으로 평행한 가로 축(도시되지 않음), 및 Z 축에 일반적으로 평행한 수직 축(도시되지 않음)을 갖는다. 본 명세서에 도시되는 X, Y 및 Z 축들은 이러한 축들이 참조 공간에서 서로 상호 수직인 기본 세트(basis set)를 도시하도록만 의도되는 임의의 축들이고, 본 명세서에서의 구조체들을 구체적인 배향으로 제한하도록 의도되는 것은 결코 아니다. 일반적으로, 전극 어셈블리(106)를 갖는 2차 배터리(102)의 충전 및 방전 사이클링 시에, 캐리어 이온들은, 도 1a에 묘사되는 실시예에 도시되는 바와 같이, 일반적으로 Y 축에 평행한 방향으로와 같이, 애노드 및 캐소드 구조체들(각각, 110 및 112) 사이에 이동하고, 이러한 이동의 방향 내에 위치되는 애노드 구조체들(110) 및 캐소드 구조체들(112) 중 하나 이상의 애노드/캐소드 활성 재료 내로 삽입 및/또는 이동할 수 있다. 특히, 방전 상태로부터 충전 상태로 이동할 때, 예를 들어, 리튬, 나트륨, 칼륨, 칼슘 및 마그네슘 중 하나 이상과 같은 캐리어 이온들이 배터리에서 양극과 음극 사이에 이동할 수 있다. 애노드 구조체에 도달할 시에, 캐리어 이온들은 다음으로 전극 재료 내로 삽입되거나 또는 이로 합금화될 수 있고, 따라서 그 전극의 크기 및 체적을 증가시킨다. 반대로, 충전 상태로부터 방전 상태로 반전하는 것은 이온들로 하여금 삽입 해제 또는 합금 해제하게 할 수 있고, 따라서 애노드 구조체를 수축시킨다. 이러한 합금화 및/또는 삽입 및 합금 해제 및/또는 삽입 해제는 애노드 구조체에서의 중요한 체적 변경을 야기할 수 있고, 이는 2차 배터리(102)의 사이클링 동안 애노드 구조체들(110)의 집단의 멤버들의 팽창의 결과로서 발생할 수 있는 전극 어셈블리(106)의 전체적인 거시적 팽창으로 인해, 전극 어셈블리(106)에서의 변형을 야기할 수 있다. 따라서, 충전 및 방전 시에 애노드 구조체들(110)의 반복 팽창 및 수축은 전극 어셈블리(106)에서의 변형을 생성할 수 있다.
일 실시예에 따르면, 2차 배터리의 사이클링으로 팽창 및/또는 수축하는 애노드 구조체들(110)은, 2차 배터리(102)가 방전으로부터 충전 상태로 충전될 때, 애노드 활성 재료의 몰 당 1 몰 초과의 캐리어 이온을 수용하는 용량을 갖는 애노드 활성 재료를 포함한다. 추가의 예로서, 애노드 활성 재료는, 애노드 활성 재료의 몰 당 2.0 몰 이상의 캐리어 이온과 같은, 애노드 활성 재료의 몰 당 1.5 몰 이상의 캐리어 이온, 그리고, 애노드 활성 재료의 몰 당 3.5 몰 이상의 캐리어 이온과 같은, 애노드 활성 재료의 몰 당 심지어 2.5 몰 이상의 캐리어 이온을 수용하는 용량을 갖는 재료를 포함할 수 있다. 애노드 활성 재료에 의해 수용되는 캐리어 이온은 리튬, 칼륨, 나트륨, 칼슘, 및 마그네슘 중 적어도 하나일 수 있다. 이러한 체적 변경을 제공하도록 팽창하는 애노드 활성 재료들의 예들은 실리콘, 알루미늄, 주석, 아연, 은, 안티몬, 비스무트, 금, 백금, 게르마늄, 팔라듐, 및 이들의 합금들 중 하나 이상을 포함한다.
일 실시예에 따르면, 2차 배터리(102)는 전극 어셈블리(106)의 성장을 저지하는 전극 제약들의 세트(108)를 포함한다. 제약되고 있는 전극 어셈블리(106)의 성장은 전극 어셈블리(106)의 하나 이상의 치수에서의 거시적 증가일 수 있고, 이는 애노드 구조체들(110)의 집단의 멤버들의 체적에서의 증가로 인한 것일 수 있다. 일 실시예에서, 전극 제약들의 세트(108)는, 예를 들어 도 1b에 도시되는 바와 같이, 세로 방향으로(즉, Y 축에 평행한 방향으로) 전극 어셈블리(106)의 성장, 팽창 및/또는 팽윤 중 적어도 하나를 완화 및/또는 감소시키는 1차 성장 제약 시스템(151)을 포함한다. 예를 들어, 1차 성장 제약 시스템(151)은, 전극 어셈블리(106)의 세로 단부 표면들(116, 118)에서와 같이, 팽창에 대향하는 것에 의해 성장을 제약하도록 구성되는 구조체들을 포함할 수 있다. 일 실시예에서, 1차 성장 제약 시스템(151)은, 세로 방향으로 서로 분리되는, 그리고 제1 및 제2 1차 성장 제약들(154, 156)을 함께 접속시키는 적어도 하나의 1차 접속 멤버(162)와 함께 동작하여 전극 어셈블리(106)의 세로 방향으로의 성장을 저지하는, 제1 및 제2 1차 성장 제약들(154, 156)을 포함한다. 예를 들어, 제1 및 제2 1차 성장 제약들(154, 156)은 전극 어셈블리(106)의 제1 및 제2 세로 단부 표면들(116, 118)을 적어도 부분적으로 커버할 수 있고, 1차 성장 제약들(154, 156)을 서로 접속시키는 하나 이상의 접속 멤버(162, 164)와 함께 동작하여, 충전 및/또는 방전의 반복 사이클들 동안 발생하는 전극 어셈블리(106)에서의 임의의 성장에 대항하고 이를 저지할 수 있다. 다른 실시예에서, 제1 및 제2 1차 성장 제약들(154,156) 중 하나 이상은 전극 어셈블리(106) 내부에 있을 수 있고, 적어도 하나의 접속 멤버(162)와 함께 동작하여 세로 방향으로의 성장을 제약할 수 있다. 1차 성장 제약 시스템(151)의 실시예들 및 동작의 추가의 논의가 이하 보다 상세히 제공된다.
또한, 2차 배터리(102)에서의 충전 및 방전 프로세스들을 통한 반복 사이클링은 전극 어셈블리(106)의 세로 방향(예를 들어, 도 1a 및 도 1b에서의 Y 축)으로의 성장 및 변형을 유도할 수 있을 뿐만 아니라, 가로 및 수직 방향들(예를 들어, 도 1a 및 도 1b에서의, 각각, X 및 Z 축들)과 같은, 세로 방향에 직교하는 방향들에서의 성장 및 변형을 또한 유도할 수 있다. 또한, 특정 실시예들에서, 하나의 방향으로의 성장을 억제하는 1차 성장 제약 시스템(151)의 통합은 심지어 하나 이상의 다른 방향으로의 성장 및/또는 팽윤을 악화시킬 수 있다. 예를 들어, 1차 성장 제약 시스템(151)이 세로 방향으로의 전극 어셈블리(106)의 성장을 저지하도록 제공되는 경우에, 충전 및 방전의 사이클들 동안의 캐리어 이온들의 삽입 및 전극 구조체들의 결과적인 팽윤은 하나 이상의 다른 방향으로의 변형을 유도할 수 있다. 특히, 일 실시예에서, 전극 성장/팽윤 및 세로 성장 제약들의 조합에 의해 생성되는 변형은 수직 방향(예를 들어, 도 1a 및 도 1b에 도시되는 바와 같은 Z 축)으로의, 또는 심지어 가로 방향(예를 들어, 도 1a 및 도 1b에 도시되는 바와 같이 X 축)으로의 전극 어셈블리(106)의 버클링 또는 다른 장애(들)를 초래할 수 있다.
따라서, 본 개시 내용의 일 실시예에서, 2차 배터리(102)는 1차 성장 제약 시스템(151) 뿐만 아니라, 1차 성장 제약 시스템(151)과 함께 동작하여 전극 어셈블리(106)의 하나 이상의 축을 따라 전극 어셈블리(106)의 성장을 저지할 수 있는 적어도 하나의 2차 성장 제약 시스템(152)을 또한 포함한다. 예를 들어, 일 실시예에서, 2차 성장 제약 시스템(152)은 1차 성장 제약 시스템(151)과 인터로킹(interlock)하도록, 또는 달리 이와 상승적으로(synergistically) 동작하도록 구성될 수 있어, 전극 어셈블리(106)와 1차 및 2차 성장 제약 시스템들(각각, 151 및 152)을 갖는 2차 배터리의 개선된 성능 및 감소된 장애의 발생률을 전하도록 전극 어셈블리(106)의 전체적인 성장이 저지될 수 있다. 일 실시예에서, 2차 성장 제약 시스템(152)은 제2 방향으로 분리되고 적어도 하나의 2차 접속 멤버(166)에 의해 접속되는 제1 및 제2 2차 성장 제약들(158,160)을 포함하고, 2차 제약 시스템은, 2차 배터리의 사이클링 시에, 세로 방향(예를 들어, Z 방향)에 직교하는 방향으로의 전극 어셈블리의 성장을 적어도 부분적으로 저지한다. 1차 및 2차 성장 제약 시스템들(각각, 151 및 152) 사이의 상호 관계 및 전극 어셈블리(106)의 성장을 저지하는 이들의 동작의 실시예들의 추가의 논의가 이하 보다 상세히 제공된다.
본 개시 내용의 일 실시예에서, 전극 제약들의 세트(108)는, 즉, 전극 어셈블리(106)를 갖는 2차 배터리(102)의 충전 동안, 애노드 구조체들(110)의 집단의 멤버들의 성장은 전극 어셈블리(106)의 다른 구조체들의 압축을 초래하도록, 전극 어셈블리(106)의 성장을 제약할 수 있다. 예를 들어, 전극 제약들(108)의 세트는, 2차 배터리(102)의 충전 동안 세로 방향으로의 애노드 구조체들(110)의 집단의 멤버들의 팽창이 전극 어셈블리(106)에서의 캐소드 구조체들(112)의 집단의 멤버들에 대해 압축 압력을 행사하도록, 세로 방향으로의 전극 어셈블리(106)의 성장을 제약하는, 즉, 1차 성장 제약 시스템(151)을 통한 세로 제약을 제공할 수 있다. 즉, 캐소드 구조체들(112)의 집단의 멤버들은, 세로 제약들의 존재에 의해 팽창 애노드 구조체 멤버들로부터 멀리 세로로 변환하는 것이 적어도 부분적으로 방지될 수 있고, 그 결과, 애노드 구조체들(110)의 집단의 멤버들의 세로 팽창은 캐소드 구조체들(112)의 집단의 멤버들을 압축한다. 또 다른 실시예에 따르면, 전극 제약들(108)의 세트는, 충전 동안 애노드 구조체들(110)의 집단의 멤버들의 성장이 압축력을 생성하도록, 수직 방향(Z 방향)으로의, 및/또는 가로 방향(X 방향)으로의와 같이, 세로 방향에 직교하는 다른 방향(들)으로의 전극 어셈블리(106)의 성장을 제약할 수 있다. 전극 제약들의 세트를 갖는 전극 어셈블리(106)에서의 애노드 구조체들(110)의 집단의 멤버들의 성장은 따라서 전극 어셈블리의 다른 컴포넌트들 상의 압축 힘들 및/또는 압력들을 생성할 수 있고, 이는 힘 및/또는 압력 장애 제한이 초과되면 이러한 컴포넌트들의 장애를 초래할 수 있다.
일 실시예에서, 제약된 전극 어셈블리(106)에서의 애노드 구조체들(110)의 집단의 멤버들의 팽창 및/또는 수축은, 애노드 구조체들(110)의 집단의 멤버들의 팽창 및/또는 수축에 관련하여 적어도 부분적으로와 같이, 팽창 및/또는 수축할 수 있는 캐소드 구조체들(112)의 집단의 멤버들을 제공하는 것에 의해 적어도 부분적으로 수용될 수 있고, 그렇게 함으로써 전극 어셈블리(106)에서의 변형을 감소시킨다. 예를 들어, 일 실시예에서, 캐소드 구조체들(112)의 집단의 멤버들은 애노드 구조체들의 집단의 멤버들의 적어도 하나의 치수에서의 변경에 역으로 관련되는 방식으로 적어도 하나의 치수에서의 변경(예를 들어, 팽창 및/또는 수축)을 할 수 있다. 예를 들어, 2차 배터리(102)의 충전 동안 폭 치수 및/또는 단면 면적에서 애노드 구조체들(110)의 집단의 멤버들이 증가하는 경우에, 캐소드 구조체들(112)의 집단의 멤버들은 폭 치수 및/또는 단면 면적에서의 수축을 할 수 있어, 애노드 구조체들(110)의 집단의 멤버들의 치수(들)의 변경을 적어도 부분적으로 수용할 수 있다.
일 실시예에서, 애노드 구조체들(110)의 집단의 각각의 멤버는 단면 면적이 A인 단면(114)을 갖고, 캐소드 구조체들(112)의 집단의 각각의 멤버는 단면 면적이 C인 단면(114)을 갖고, 이러한 단면 면적들은, 예를 들어 도 1c 및 도 1d에 도시되는 바와 같이, 세로 방향에 평행한(즉, 세로 축 AEA에 평행한) 제1 세로 평면(113)에서 측정된다. 일반적으로 직사각형 단면들을 세로 평면(113)을 따라 취해지는 것으로서 묘사하는, 도 1d에 도시되는 바와 같은 실시예에서 알 수 있는 바와 같이, 이러한 직사각형 단면에 대한 애노드 구조체의 단면 면적 A는 애노드 구조체(110)의 높이 HA 곱하기 애노드 구조체의 폭 WA과 동일할 수 있고, 캐소드 구조체(112)의 단면 면적 C는 캐소드 구조체(110)의 높이(HC) 곱하기 캐소드 구조체(112)의 폭 WC와 동일할 수 있다. 대안적으로 및/또는 추가적으로, 단면 면적(114)은, 예를 들어, 해당 분야에서의 통상의 기술자에 의해 이해되는 적합한 단면 면적 결정 방법에 의해, 도 1c 내지 도 1d에 도시되는 것 이외의 상이한 형상들 및/또는 단면들을 갖는 전극들에 대해 계산될 수 있다. 그것에 제한되지 않고, 일 실시예에서, 단면 면적은, 제1 세로 평면(113)에서, 관심 있는 캐소드 및/또는 애노드 구조체 집단들의 멤버의 단면을 식별하기 위해 SEM(Scanning Electron Microscopy) 기법을 사용하는 것에 의해 계산될 수 있다. 다음으로, SEM에 의해 획득되는 단면에 대한 단면 면적은, 예를 들어, 국립 보건원(National Institutes of Health)으로부터 이용 가능한 ImageJ 소프트웨어(Image Processing and Analysis in Java)과 같은, 예를 들어 다양한 형상들 및 객체들의 면적들을 결정할 수 있는 이용 가능한 소프트웨어 프로그램들을 사용하는 것에 의해, 해당 분야에서의 통상의 기술자에게 알려진 방법들을 사용하여 획득될 수 있다. 일 실시예에서, SEM에 의해 식별되는 이미지에서의 단면의 면적은, SEM 이미지에서의 단면의 경계들을 계산으로 또는 수동으로 식별하는 것에 의해 소프트웨어 프로그램을 사용하고, 단면에 대응하는 SEM 이미지의 부분의 식별되는 경계들 내에 속하는 픽셀들의 수를 카운팅하고, 이미지의 스케일(예를 들어, 이미지에서의 픽셀 당 치수 크기)을 입력하는 것에 의해 일반적으로 결정되어, 식별되는 단면의 면적을 계산할 수 있다. 단면 면적들의 결정에 대해 해당 분야에서의 통상의 기술자들에게 알려진 다른 방법들이 애노드 및 캐소드 구조체 집단들의 하나 이상의 멤버의 단면의 면적을 결정하는데 또한 사용될 수 있다.
따라서, 일 실시예에서, 애노드 구조체들(110)의 집단의 멤버 및/또는 캐소드 구조체(112)의 집단의 멤버의 크기에서의 변경은 제1 세로 평면에서 측정되는 바와 같은 구조체의 단면 면적에서의 변경에 따라 결정될 수 있다. 예를 들어, 일 실시예에서, 애노드 구조체 집단의 각각의 멤버는, 2차 배터리가 충전 상태에 있을 때, 제1 단면 면적, A1을 갖고, 2차 배터리가 방전 상태에 있을 때 제2 단면 면적 A2를 갖고, 캐소드 구조체 집단의 각각의 멤버는 2차 배터리가 충전 상태에 있을 때 제1 단면 면적 C1을 갖고, 2차 배터리가 방전 상태에 있을 때, 제2 단면 면적 C2를 갖는다. 충전 및 방전 시에 애노드 및/또는 캐소드 구조체들의 집단의 멤버들의 치수 및/또는 체적에서의 변경은 따라서 애노드 구조체 집단의 서브세트의 멤버들 각각에 대해 A1이 A2 초과이고, 캐소드 구조체 집단의 서브세트의 멤버들 각각에 대해 C1이 C2 미만인 어셈블리를 초래할 수 있다. 즉, 2차 배터리의 충전 시에, 애노드 구조체 집단의 멤버들의 단면 면적들은 A1로부터 A2까지 증가하고, 한편 캐소드 구조체 집단의 멤버들의 단면 면적들은 C2로부터 C1까지 수축하고, 2차 배터리의 방전 시에, 애노드 구조체 집단의 멤버들의 단면 면적들은 A2로부터 A1까지 감소하고, 한편 캐소드 구조체 집단의 멤버들의 단면 면적들은 C2로부터 C1까지 증가한다. 따라서, 일 실시예에서, 캐소드 구조체 집단의 멤버들의 변경 치수(들)는 애노드 구조체 집단의 멤버들의 치수들 및/또는 크기에서의 증가 및/또는 감소를 적어도 부분적으로 수용할 수 있다.
또한, 애노드 구조체 집단의 "서브세트(subset)"에 의하면, 이것은 애노드 구조체 집단의 적어도 하나의 멤버를 의미하고, 서브세트는 전극 어셈블리(106)에서의 애노드 구조체 집단에서의 멤버들의 수로 또한 공동-연장될 수 있다. 즉, 애노드 구조체들의 집단의 서브세트는 전극 어셈블리(106)에서의 애노드 구조체들의 집단의 단 하나의 또는 모든 멤버들, 또는 그 사이의 임의의 수를 포함할 수 있다. 유사하게, 캐소드 구조체 집단의 "서브세트(subset)"에 의하면, 이것은 캐소드 구조체 집단의 적어도 하나의 멤버를 의미하고, 서브세트는 전극 어셈블리(106)에서의 캐소드 구조체 집단에서의 멤버들의 수로 또한 공동-연장될 수 있다. 즉, 캐소드 구조체들의 집단의 서브세트는 전극 어셈블리에서의 캐소드 구조체들의 집단의 단 하나의 또는 모든 멤버들, 또는 그 사이의 임의의 수를 포함할 수 있다. 예를 들어, 애노드 또는 캐소드 구조체 집단들의 서브세트는 하나의 멤버 또는 2개의 멤버들, 또는 그 이상을 포함할 수 있다. 일 실시예에서, 서브세트는 적어도 5개의 멤버들을 포함한다. 다른 실시예에서, 서브세트는 적어도 10개의 멤버들을 포함한다. 또 다른 실시예에서, 서브세트는 적어도 20개의 멤버들을 포함한다. 또 다른 실시예에서, 서브세트는 적어도 50개의 멤버들을 포함한다. 예를 들어, 일 실시예에서, 이러한 집단의 서브세트는, 2개 내지 6개의 멤버들, 그리고 심지어 3개 내지 5개의 멤버들과 같은, 1개 내지 7개의 멤버를 포함할 수 있다. 또 다른 실시예에서, (애노드 및/또는 캐소드 구조체 집단들 중 어느 하나의) 서브세트는 전극 어셈블리(106)에서의 멤버들의 총 수의 백분율을 포함할 수 있다. 예를 들어, 이러한 서브세트는, 멤버들의 적어도 25%와 같은, 전극 어셈블리에서의 멤버들(애노드 및/또는 캐소드 멤버들)의 적어도 10%, 및, 전극 어셈블리에서의 멤버들의 적어도 75%, 그리고 심지어 적어도 90%와 같은, 심지어 적어도 50%를 포함할 수 있다.
추가의 설명으로서, 일 실시예에서, 캐소드 구조체들(112)의 집단의 멤버들은, 치수, 단면 및/또는 체적에서의 변경과 같은, 크기에서의 변경을 나타내는 것으로 이해될 수 있다. 예를 들어, 캐소드 구조체(112)의 집단의 멤버들은 세로 방향으로(즉, 세로 축 AEA에 평행함) 측정되는 바와 같은 각각의 캐소드 구조체(112)의 단면 면적들 C, 또는 폭(WC)에서의 변경을 나타낼 수 있어, 애노드 구조체들(110)의 팽창/수축을 적어도 부분적으로 수용한다. 예를 들어, 일 실시예에서, 캐소드 구조체들(112)의 집단의 멤버들의 폭 WC 및/또는 단면 면적 C에서의 변경은, 세로 방향으로 측정되는 바와 같은 폭 및/또는 이러한 폭의 적어도 일부분을 이들의 치수로서 갖는 단면과 같은, 애노드 구조체들(110)의 집단의 멤버들의 폭 WA 및/또는 단면 면적 A에서의 변경을 적어도 부분적으로 수용할 수 있고, 이는 애노드 및 캐소드 구조체들 사이의 캐리어 이온들의 이동의 방향으로 캐리어 이온들의 삽입 및/또는 합금 또는 삽입 해제 및 합금 해제로 인해 발생할 수 있고, 이동의 방향은 일반적으로 세로 방향에 있을 수 있다. 즉, 애노드 구조체들(110)의 집단의 멤버들이 충전 시에 폭 및/또는 단면 면적에서 증가하는 경우에, 캐소드 구조체들(112)의 집단의 멤버들은 충전 시에 폭 및/또는 단면 면적에서 감소할 수 있고, 애노드 구조체들(110)의 집단의 멤버들이 방전 시에 폭 및/또는 단면 면적에서 감소하는 경우에, 캐소드 구조체들(112)의 집단의 멤버들은 방전 시에 폭 및/또는 단면 면적에서 증가할 수 있다. 또 다른 실시예에서, 애노드 구조체들(110)의 집단의 멤버들의 팽창/수축 시에 캐소드 구조체들(112)의 집단의 멤버의 적어도 하나의 치수에서의 변경은 애노드 구조체들의 집단의 멤버들의 단면 면적에서의 변경에 역으로 관련되는 캐소드 구조체들(112)의 집단의 멤버들의 단면 면적에서의 전체적인 변경을 생성하는 것으로 이해될 수 있다. 즉, 애노드 구조체들(110)의 집단의 멤버들이 충전 시에 단면 면적에서 증가하는 경우에, 캐소드 구조체들(112)의 집단의 멤버들은 충전 시에 단면 면적에서 감소할 수 있고, 애노드 구조체들(110)의 집단의 멤버들이 방전 시에 단면 면적에서 감소하는 경우에, 캐소드 구조체들(112)의 집단의 멤버들은 방전 시에 단면 면적에서 증가할 수 있다. 또 다른 실시예에서, 애노드 구조체들(110)의 집단의 멤버들의 팽창/수축 시에 캐소드 구조체들(112)의 집단의 멤버들의 적어도 하나의 치수에서의 변경은 애노드 구조체들의 집단의 멤버들의 체적에서의 변경에 역으로 관련되는 캐소드 구조체들(112)의 체적에서의 전체적인 변경을 생성하는 것으로 이해될 수 있다. 즉, 애노드 구조체들(110)의 집단의 멤버들이 충전 시에 체적에서 증가하는 경우에, 캐소드 구조체들(112)의 집단의 멤버들은 충전 시에 체적에서 감소할 수 있고, 애노드 구조체들(110)의 집단의 멤버들이 방전 시에 체적에서 감소하는 경우에, 캐소드 구조체들(112)의 집단의 멤버들은 방전 시에 체적에서 증가할 수 있다.
또한, 일 실시예에서, 캐소드 구조체들(112)의 집단의 멤버들의 적어도 하나의 치수(예를 들어, 폭), 단면 및/또는 체적에서의 변경의 부호는, 크기들에서의 변경이 서로 역으로 관련되도록, 애노드 구조체들(110)의 집단의 멤버들의 적어도 하나의 치수, 단면 및/또는 체적에서의 변경의 부호의 것의 반대이다. 예를 들어, 2차 배터리(102)의 충전 시에 폭에서 증가하는 애노드 구조체들(110)의 집단의 멤버에 대해, 폭에서의 변경에 대한 부호는 최종 폭 WF으로부터의 초기 폭 WI의 감산(WF - WI = +ΔW)으로부터 초래되는 수의 부호일 것이고, 이는 애노드 구조체의 WF가 WI보다 크므로 양의 부호(+)가 있는 양수이다. 반대로, 2차 배터리(102)의 충전 시에 폭에서 감소하는 캐소드 구조체들(112)의 집단의 멤버에 대해, 폭 변경에 대한 부호는 WF-WI = -ΔW일 것이고, 이는 캐소드 구조에 대한 WF가 WI보다 작으므로 음의 부호(-)가 있는 음수이다. 그러나, 애노드 구조체의 ΔW의 크기의 절대 값은, 충전 및/또는 방전 동안, 캐소드 구조체에 대한 ΔW의 크기의 절대 값과 반드시 동일한 것은 아니라는 점에 주목되어야 한다. 다시 말해서, 충전 동안 애노드 구조체의 팽창의 정도는 캐소드 구조체의 수축의 정도와 동일할 필요가 없다. 예를 들어, 2차 배터리에서의 다른 구조체들은, 캐소드 구조체가 애노드 구조체 팽창의 전체 정도를 완전히 수용하는 정도로 압축된다면 캐소드 구조체의 압축이 달리 예상될 수 있는 것 미만이도록, 애노드 구조체의 팽창을 적어도 부분적으로 수용할 수 있다. 동일한 것이 방전에 적용될 수 있고, 여기서 캐소드 구조체의 팽창의 정도는 방전 프로세스 동안 애노드 구조체의 수축의 정도와 상이한 크기의 것일 수 있다. 따라서, 애노드 구조체들(110)의 집단의 멤버가 양의 부호를 갖는 폭, 단면 및/또는 체적에서의 변경을 나타내는 경우에(예를 들어, 폭이 증가함), 캐소드 구조체들(112)의 집단의 멤버의 폭, 단면 및/또는 체적에서의 변경은 (가능하게는 상이한 크기의 것이더라도) 그것에 역으로 관련될 수 있고, 따라서 음의 부호를 갖는다. 반대로, 애노드 구조체들의 집단의 멤버가 음의 부호를 갖는 폭, 단면 및/또는 체적에서의 변경을 나타내는 경우에(예를 들어, 폭이 감소함), 캐소드 구조체들(112)의 집단의 멤버의 폭, 단면 및/또는 체적에서의 변경은 (가능하게는 상이한 크기의 것이더라도) 그것에 역으로 관련될 수 있고, 따라서 양의 부호를 갖는다. 애노드 구조체들의 집단의 멤버들의 팽창 및/또는 수축에 관련하여 폭, 단면 및/또는 체적과 같은, 적어도 하나의 치수에서 변경할 수 있는 캐소드 구조체들의 집단의 멤버들을 제공하는 것에 의해, 2차 배터리의 다수 사이클들에 걸쳐 반복 팽창 및 수축에 의해 달리 야기될 수 있는 전극 어셈블리(106) 상의 변형이 감소될 수 있고, 그렇게 함으로써 2차 배터리(102)의 수명 및 성능을 개선한다.
추가의 설명으로서, 도 2a 내지 도 2c를 참조하면, 충전 상태(도 2a 및 2c) 및 방전 상태(도 2b) 양자 모두에서, 애노드 구조체들(112)의 집단의 멤버들의 팽창/수축에 관련하여 크기(예를 들어, 폭, 단면 면적 및/또는 체적)를 변경하는 캐소드 구조체들(110)의 집단의 멤버들을 갖는 전극 어셈블리(106)의 실시예가 도시된다. 2차 배터리(102)에 대한 충전 상태를 도시하는 도 2a에서, 애노드 구조체들(110)의 집단의 멤버들은 폭이 WA1인 단면 면적 A1을 갖고, 캐소드 구조체(112)의 집단의 멤버들은 폭이 WC1인 단면 면적 C1을 갖는다. 그러나, 2차 배터리(102)가 도 2b에 도시되는 방전 상태로 방전될 때, 애노드 구조체들(110)의 집단의 멤버들의 폭은 단면 면적 A2 및 폭 WA2를 제공하도록 감소하고, 한편 캐소드 구조체(112)의 집단의 멤버들의 폭은 단면 면적 C2 WC2를 제공하도록 증가하고, 여기서 A2<A1 및 C2 > C1이고, WA2 < WA1 및 WC2 > WC1이다. 즉, 캐소드 구조체들(112)의 집단의 멤버들의 크기에서의 변경은 애노드 구조체들(110)의 집단의 멤버들의 것에 역으로 관련될 수 있고, 그 이유는, 한편 2차 배터리가 방전될 때, 캐소드 구조체 집단 멤버들이 단면 면적 및/또는 폭에서 증가하고, 애노드 구조체 집단 멤버들이 단면 면적 및/또는 폭에서 감소하기 때문이다(폭에서의 변경의 방향은 도 2b에서 화살표들에 의해 개략적으로 묘사됨). 2차 배터리(102)가 도 2b에 도시되는 방전 상태로부터 도 2c에 도시되는 후속 충전 상태로 충전될 때, 애노드 및 캐소드 구조체들(110,112)의 집단의 멤버들은 단면 면적 및/또는 폭에서의 추가의 변경을 나타내고, 애노드 구조체들의 집단의 멤버들의 단면 면적은 A3로 증가하고, 여기서 A3 < A2이고, 애노드 구조체들의 집단의 멤버들의 폭은 WA3으로 증가하고, 여기서 WA3 > WA2이고, 캐소드 구조체들의 집단의 멤버들의 단면 면적은 C3로 감소하고, 여기서 C3 < C2이고, 캐소드 구조체들의 집단의 멤버들의 폭은 WC3로 감소하고, 여기서 Wc3 < WC2이다. 일부 실시예들에서 도 2c에 묘사되는 후속 충전 상태에서의 애노드 구조체들(110)의 집단의 멤버들의 단면 면적 A3 및/또는 폭 WA3은 도 2a에 도시되는 초기 충전 상태에서의 애노드 구조체들(110)의 집단의 멤버들의 대응하는 단면 면적 A1 및/또는 폭 WA1과 동일할 수 있지만, 후속 충전 상태에서의 애노드 구조체들(110)의 집단의 멤버들의 단면 면적 A3 및/또는 폭 WA3가 초기 충전 상태에서의 애노드 구조체(110)의 집단의 멤버들의 단면 면적 A1 및/또는 폭 WA1에 걸쳐 증가될 수 있다는 점이 또한 가능하다. 즉, 특정 실시예들에서, 충전 상태에서의 애노드 구조체들(110)의 집단의 멤버들의 폭, 단면 면적 및/또는 체적은 충전 상태와 방전 상태 사이의 2차 배터리(102)의 반복 사이클링에 걸쳐 증가할 수 있다. 유사하게, 도 2c에 묘사되는 후속 충전 상태에서의 캐소드 구조체(112)의 집단의 멤버들의 단면 면적 C3 및/또는 폭 Wc3는 3A에 묘사되는 초기 충전 상태에서의 캐소드 구조체들(112)의 집단의 멤버들의 단면 면적 C3 및/또는 폭 WC1과 동일할 수 있지만, 후속 충전 상태에서의 캐소드 구조체들(112)의 집단의 멤버들의 단면 면적 C3 및/또는 폭 WC3는 초기 충전 상태에서의 캐소드 구조체들(112)의 집단의 멤버들의 대응하는 단면 면적 C3 및/또는 폭 WC1에 걸쳐 감소될 수 있다는 점이 또한 가능하다. 즉, 특정 실시예들에서, 충전 상태에서의 캐소드 구조체들(112)의 집단의 멤버들의 폭, 단면 면적 및/또는 체적은, 2차 배터리(102)의 반복 사이클링에 걸쳐 발생할 수 있는 애노드 구조체들(110)의 집단의 멤버들의 성장에서의 증가를 수용하기 위해서와 같이, 충전 상태와 방전 상태 사이의 2차 배터리(102)의 반복 사이클링에 걸쳐 감소할 수 있다.
따라서, 일 실시예에서, 캐소드 구조체들(112)의 집단의 멤버들은, 2차 배터리(102)가 충전 상태에 있을 때 제1 치수 및/또는 단면 면적과 같은, 제1 크기를 갖고, 2차 배터리(102)가 방전 상태에 있을 때 제2 치수 및/또는 단면 면적과 같은, 제2 크기를 갖고, 제1 치수 및/또는 단면 면적은 제2 치수 및/또는 단면 면적 미만이다. 또 다른 실시예에서, 캐소드 구조체들(112)의 치수 및/또는 단면 면적에서의 변경과 같은, 크기에서의 변경은 애노드 구조체들(110)의 집단의 멤버들의 치수 및/또는 단면 면적에서의 변경에 역으로 관련될 수 있다. 예를 들어, 일 실시예에서, 캐소드 구조체들(112)의 집단의 적어도 하나의 멤버는 3X107μm2 이하인 충전 상태에서의 제1 단면 면적 C1을 가질 수 있다. 추가의 예로서, 일 실시예에서 캐소드 구조체들의 집단의 적어도 하나의 멤버는 1X107μm2 이하인 충전 상태에서의 제1 단면 면적 C1을 가질 수 있다. 추가의 예로서, 일 실시예에서 캐소드 구조체들의 집단의 적어도 하나의 멤버는, 9.5X106 μm2 이하인 충전 상태에서의 제1 단면 면적 C1을 가질 수 있다. 또 추가의 예로서, 일 실시예에서 캐소드 구조체들의 집단의 적어도 하나의 멤버는 8X106 μm2 이하인 충전 상태에서의 제1 단면 면적 C1을 가질 수 있다. 또 추가의 예로서, 캐소드 구조체들의 집단의 적어도 하나의 멤버는, 5X106 μm2 이하인 충전 상태에서의 제1 단면 면적 C1을 가질 수 있다. 일반적으로, 충전 상태에서의 캐소드 구조체들의 집단의 적어도 하나의 멤버의 제1 단면 면적 C1은 적어도 2X102 μm2일 수 있고, 예를 들어, 충전 상태에서의 제1 단면 면적 C1은 적어도 2.5X102 μm2, 그리고 심지어 적어도 3X102 μm2일 수 있다. 예를 들어, 제1 단면 면적 C1은, 2.5X102 μm2 내지 9.5X106 μm2와 같은, 2X102 μm2 내지 3X107 μm2의 범위에, 그리고 심지어 3X102 μm2 내지 8X106 μm2의 범위에 있을 수 있다.
또한, 일 실시예에서, 캐소드 구조체들의 집단의 적어도 하나의 멤버는 적어도 1.01X102 μm2인 방전 상태에서의 제2 단면 면적 C2를 갖는다. 추가의 예로서, 일 실시예에서 캐소드 구조체들의 집단의 적어도 하나의 멤버는 적어도 1.05X102 μm2인 방전 상태에서의 제2 단면 면적 C2를 가질 수 있다. 추가의 예로서, 일 실시예에서 캐소드 구조체들의 집단의 적어도 하나의 멤버는 적어도 1.0X103 μm2인 방전 상태에서의 제2 단면 면적 C2를 가질 수 있다. 추가의 예로서, 일 실시예에서 캐소드 구조체들의 집단의 적어도 하나의 멤버는 적어도 1.05X103 μm2인 방전 상태에서의 제2 단면 면적 C2를 가질 수 있다. 추가의 예로서, 일 실시예에서 캐소드 구조체들의 집단의 적어도 하나의 멤버는 적어도 1.1X103 μm2인 방전 상태에서의 제2 단면 면적 C2를 가질 수 있다. 일반적으로, 충전 상태에서의 캐소드 구조체들의 집단의 적어도 하나의 멤버의 제2 단면 면적 C2는 1.5X1010를 초과하지 않을 것이고, 예를 들어 방전 상태에서의 제2 단면 면적 C2는 1X107 μm2를 초과하지 않을 수 있고, 심지어 1X106 μm2를 초과하지 않을 수 있다. 예를 들어, 제2 단면 면적 C2는, 1.0X103 μm2 내지 1.0X107 μm2와 같은, 1.01X102 μm2 내지 1.5X1010 μm2의 범위에, 그리고 심지어 1.05X102 μm2 내지 1X106 μm2의 범위에 있을 수 있다.
또 다른 실시예에서, 일 실시예에서 캐소드 구조체들의 집단의 적어도 하나의 멤버는 적어도 1.05:1인 방전 상태에서의 캐소드 구조체(112)의 제2 단면 면적 C2 대 충전 상태에서의 캐소드 구조체(112)의 제1 단면 면적 C1의 비율을 갖는다. 추가의 예로서, 일 실시예에서 캐소드 구조체들의 집단의 적어도 하나의 멤버는 적어도 1.1:1인 캐소드 구조체(112)의 제2 단면 면적 C2 대 캐소드 구조체(112)의 제1 단면 면적 C1의 비율을 갖는다. 추가의 예로서, 일 실시예에서 캐소드 구조체들의 집단의 적어도 하나의 멤버는 적어도 1.3:1인 캐소드 구조체(112)의 제2 단면 면적 C2 대 캐소드 구조체(112)의 제1 단면 면적 C1의 비율을 갖는다. 추가의 예로서, 일 실시예에서 캐소드 구조체들의 집단의 적어도 하나의 멤버는 적어도 2:1인 캐소드 구조체(112)의 제2 단면 면적 C2 대 캐소드 구조체(112)의 제1 단면 면적 C1의 비율을 갖는다. 추가의 예로서, 일 실시예에서 캐소드 구조체들의 집단의 적어도 하나의 멤버는 적어도 3:1인 캐소드 구조체(112)의 제2 단면 면적 C2 대 캐소드 구조체(112)의 제1 단면 면적 C1의 비율을 갖는다. 추가의 예로서, 일 실시예에서 캐소드 구조체들의 집단의 적어도 하나의 멤버는 적어도 4:1인 캐소드 구조체(112)의 제2 단면 면적 C2 대 캐소드 구조체(112)의 제1 단면 면적 C1의 비율을 갖는다. 추가의 예로서, 일 실시예에서 캐소드 구조체들의 집단의 적어도 하나의 멤버는 적어도 6:1인 캐소드 구조체(112)의 제2 단면 면적 C2 대 캐소드 구조체(112)의 제1 단면 면적 C1의 비율을 갖는다. 일반적으로, 제2 단면 면적 C2 대 제1 단면 면적 C1의 비율은 약 15:1을 초과하지 않을 것이고, 예를 들어 8:1을 초과하지 않는 것과 같이, 심지어 10:1을 초과하지 않을 것이다. 예를 들어, 일 실시예에서 캐소드 구조체들의 집단의 적어도 하나의 멤버는 1.05:1 내지 15:1의 범위에 있을 수 있는 캐소드 구조체(112)의 제2 단면 면적 C2 대 캐소드 구조체(112)의 제1 단면 면적 C1의 비율을 갖는다. 추가의 예로서, 일 실시예에서 캐소드 구조체들의 집단의 적어도 하나의 멤버는 1.1:1 내지 6:1의 범위에 있을 수 있는 캐소드 구조체(112)의 제2 단면 면적 C2 대 캐소드 구조체(112)의 제1 단면 면적 C1의 비율을 갖는다. 추가의 예로서, 일 실시예에서 캐소드 구조체들의 집단의 적어도 하나의 멤버는 1.3:1 내지 4:1의 범위에 있을 수 있는 캐소드 구조체(112)의 제2 단면 면적 C2 대 캐소드 구조체(112)의 제1 단면 면적 C1의 비율을 갖는다. 또한, 일 실시예에서, 제2 단면 면적 C2에 관련하여 제1 단면 면적 C1의 수축은, 5% 수축 내지 75% 수축과 같은, 2% 수축 내지 90% 수축의 범위에 있다. 즉, 제1 단면 면적 C1은, C2에 관련하여 적어도 5% 그리고 심지어 적어도 10% 와 같은, C2에 관하여 적어도 2%만큼 수축될 수 있지만, C2에 관련하여 80% 미만 그리고 심지어 75% 미만과 같이, C2에 관련하여 90% 미만 수축될 수 있다.
또한, 일 실시예에서, 애노드 구조체들(110)의 집단의 적어도 하나의 멤버는 적어도 100 μm2인 충전 상태에서의 제1 단면 면적 A1을 가질 수 있다. 추가의 예로서, 일 실시예에서 애노드 구조체들의 집단의 적어도 하나의 멤버는 적어도 1X103 μm2인 충전 상태에서의 제1 단면 면적 A1을 가질 수 있다. 또 추가의 예로서, 일 실시예에서 애노드 구조체들의 집단의 적어도 하나의 멤버는 적어도 4.5X103 μm2인 충전 상태에서의 제1 단면 면적 A1을 가질 수 있다. 또 추가의 예로서, 애노드 구조체들의 집단의 적어도 하나의 멤버는 적어도 6X103 μm2인 충전 상태에서의 제1 단면 면적 A1을 가질 수 있다. 추가의 예로서, 일 실시예에서 애노드 구조체들의 집단의 적어도 하나의 멤버는 적어도 8X103 μm 2인 충전 상태에서의 제1 단면 면적 A1을 가질 수 있다. 일반적으로, 충전 상태에서의 애노드 구조체들의 집단의 적어도 하나의 멤버의 제1 단면 면적 A1은 1.5X107 μm2를 초과하지 않을 수 있고, 예를 들어, 충전 상태에서의 제1 단면 면적 A1은 7.6X106 μm2를 초과하지 않을 수 있고, 심지어 5X106 μm2를 초과하지 않을 수 있다. 예를 들어, 제1 단면 면적 A1은 4.5X103 μm2 내지 7.6X106 μm2와 같은, 100 μm2 내지 1.5X107μm2의 범위에, 그리고 심지어 6X103 μm2 내지 5X106 μm2의 범위에 있을 수 있다.
또한, 일 실시예에서, 애노드 구조체들의 집단의 적어도 하나의 멤버는 3X107 μm2 이하인 방전 상태에서의 제2 단면 면적 A2를 갖는다. 추가의 예로서, 일 실시예에서 애노드 구조체들의 집단의 적어도 하나의 멤버는 1.5X107 μm2 이하인 방전 상태에서의 제2 단면 면적 A2를 가질 수 있다. 추가의 예로서, 일 실시예에서 애노드 구조체들의 집단의 적어도 하나의 멤버는 7.5X106 μm2 이하인 방전 상태에서의 제2 단면 면적 A2를 가질 수 있다. 추가의 예로서, 일 실시예에서 애노드 구조체들의 집단의 적어도 하나의 멤버는 5X106 μm2 이하인 방전 상태에서의 제2 단면 면적 A2를 가질 수 있다. 추가의 예로서, 일 실시예에서 애노드 구조체들의 집단의 적어도 하나의 멤버는 3X106 μm2 이하인 방전 상태에서의 제2 단면 면적 A2를 가질 수 있다. 일반적으로, 충전 상태에서의 애노드 구조체들의 집단의 적어도 하나의 멤버의 제2 단면 면적 A2은 적어도 500 μm2일 것이고, 예를 들어 방전 상태에서의 제2 단면 면적 A2는 적어도 1.5X103, 그리고 심지어 적어도 3X103 μm2일 수 있다. 예를 들어, 제2 단면 면적 A2는, 1.5X103 μm2 내지 7.5X106 μm2와 같은, 500 μm2 내지 3X107 μm2의 범위에, 그리고 심지어 3X103 μm2 내지 5X106 μm2의 범위에 있을 수 있다.
또 다른 실시예에서, 일 실시예에서 애노드 구조체들의 집단의 적어도 하나의 멤버는 적어도 1.01:1인 충전 상태에서의 애노드 구조체(110)의 제1 단면 면적 A1 대 방전 상태에서의 애노드 구조체(110)의 제2 단면 면적 A2의 비율을 갖는다. 추가의 예로서, 일 실시예에서 애노드 구조체들의 집단의 적어도 하나의 멤버는 적어도 1.05:1인 애노드 구조체(110)의 제1 단면 면적 A1 대 애노드 구조체(110)의 제2 단면 면적 A2의 비율을 갖는다. 추가의 예로서, 일 실시예에서 애노드 구조체들의 집단의 적어도 하나의 멤버는 적어도 1.5:1인 애노드 구조체(110)의 제1 단면 면적 A1 대 애노드 구조체(110)의 제2 단면 면적 A2의 비율을 갖는다. 추가의 예로서, 일 실시예에서 애노드 구조체들의 집단의 적어도 하나의 멤버는 적어도 2:1인 애노드 구조체(110)의 제1 단면 면적 A1 대 애노드 구조체(110)의 제2 단면 면적 A2의 비율을 갖는다. 추가의 예로서, 일 실시예에서 애노드 구조체들의 집단의 적어도 하나의 멤버는 적어도 3:1인 애노드 구조체(110)의 제1 단면 면적 A1 대 애노드 구조체(110)의 제2 단면 면적 A2의 비율을 갖는다. 추가의 예로서, 일 실시예에서 애노드 구조체들의 집단의 적어도 하나의 멤버는 적어도 4:1인 애노드 구조체(110)의 제1 단면 면적 A1 대 애노드 구조체(110)의 제2 단면 면적 A2의 비율을 갖는다. 추가의 예로서, 일 실시예에서 애노드 구조체들의 집단의 적어도 하나의 멤버는 적어도 5:1인 애노드 구조체(110)의 제1 단면 면적 A1 대 애노드 구조체(110)의 제2 단면 면적 A2의 비율을 갖는다. 예를 들어, 일 실시예에서 애노드 구조체들의 집단의 적어도 하나의 멤버는 1.01:1 내지 5:1의 범위에 있을 수 있는 애노드 구조체(110)의 제1 단면 면적 A1 대 애노드 구조체(110)의 제2 단면 면적 A2의 비율을 갖는다. 추가의 예로서, 일 실시예에서 애노드 구조체들의 집단의 적어도 하나의 멤버는 1.01 내지 4:1의 범위에 있을 수 있는 애노드 구조체(110)의 제1 단면 면적 A1 대 애노드 구조체(110)의 제2 단면 면적 A2의 비율을 갖는다. 추가의 예로서, 일 실시예에서 애노드 구조체들의 집단의 적어도 하나의 멤버는 1.01:1 내지 3:1의 범위에, 그리고 심지어 1.5:1 내지 3:1의 범위에 있을 수 있는 애노드 구조체(110)의 제1 단면 면적 A1 대 애노드 구조체(110)의 제2 단면 면적 A2의 비율을 갖는다.
일 실시예에서, 애노드 구조체 집단의 서브세트는, 본 명세서에 사용되는 바와 같이 하나 초과의 애노드 멤버에 대한 단면 면적들의 중간을 지칭하는, MAA에 따라, 및/또는, 본 명세서에 사용되는 바와 같이 애노드 멤버를 따른 상이한 세로 평면들에서의 단면 면적들의 중간을 지칭하는, MLA에 따라, 및/또는, 본 명세서에 사용되는 바와 같이 MAA 및 MLA의 중간을 지칭하는, MOA에 따라 측정되는 바와 같은, 중간 단면 면적을 갖는다. 또한, 캐소드 구조체 집단의 서브세트는, 본 명세서에 사용되는 바와 같이 하나 초과의 캐소드 멤버에 대한 단면 면적들의 중간을 지칭하는, MAc에 따라, 및/또는, 본 명세서에 사용되는 바와 같이 캐소드 멤버를 따른 상이한 세로 평면들에서의 단면 면적들의 중간을 지칭하는, MLc에 따라, 및/또는, 본 명세서에 사용되는 바와 같이 MAC 및 MLC의 중간을 지칭하는, MOC에 따라 측정되는 바와 같은, 중간 단면 면적을 갖는다. 이러한 척도들의 추가의 설명은 다음과 같다.
일 실시예에 따르면, 애노드 구조체 집단의 서브세트는 중간 단면 면적 MAA를 갖고, 캐소드 구조체 집단의 서브세트는 중간 단면 면적 MAC를 갖고, 여기서 MAA 및 MAC는, 애노드 및/또는 캐소드 구조체 집단의 서브세트에 걸쳐 측정되는 바와 같이, 각각 애노드 구조체들 및 캐소드 구조체들의 집단의 멤버들에 대한 단면 면적들 A 및 C의 중간들이다. 즉, MAA는 애노드 구조체들의 집단의 멤버들의 서브세트에 대한 제1 세로 평면(113)에서 측정되는 바와 같은 중간 단면으로서 이해될 수 있고, MAC는 캐소드 구조체들의 집단의 멤버들의 서브세트에 대한 제1 세로 평면(113)에서 측정되는 바와 같은 중간 단면으로서 이해될 수 있다. 즉, 서브세트에 대한 중간 단면 면적 MAA를 결정하기 위해, 서브세트에서의 애노드 구조체 집단의 각각의 멤버에 대해 단면 면적들이 결정되고, 다음으로 단면 면적들의 중간이 평가된다. 유사하게, 서브세트에 대한 중간 단면 면적 MAC를 결정하기 위해, 서브세트에서의 캐소드 구조체 집단의 각각의 멤버에 대해 단면 면적들이 결정되고, 다음으로 단면 면적들의 중간이 평가된다. 일 실시예에서, 적어도 2개의 멤버들을 포함하는 서브세트에 대해 제1 세로 평면에서 측정되는 바와 같은 단면 면적들의 중간이 결정된다. 다른 실시예에서, 적어도 5개의 멤버들을 포함하는 서브세트에 대해 제1 세로 평면에서 측정되는 바와 같은 단면 면적들의 중간이 결정된다. 다른 실시예에서, 적어도 10개의 멤버들을 포함하는 서브세트에 대해 제1 세로 평면에서 측정되는 바와 같은 단면 면적들의 중간이 결정된다. 다른 실시예에서, 적어도 20개의 멤버들을 포함하는 서브세트에 대해 제1 세로 평면에서 측정되는 바와 같은 단면 면적들의 중간이 결정된다. 다른 실시예에서, 적어도 50개의 멤버들을 포함하는 서브세트에 대해 제1 세로 평면에서 측정되는 바와 같은 단면 면적들의 중간이 결정된다. 예를 들어, 일 실시예에서, 이러한 집단의 서브세트는, 2개 내지 6개의 멤버들, 그리고 심지어 3개 내지 5개의 멤버들과 같은, 1개 내지 7개의 멤버를 포함할 수 있다. 또 다른 실시예에서, 이러한 집단의 서브세트는 전극 어셈블리(106)에서의 멤버들의 총 수의 백분율을 포함할 수 있다. 예를 들어, 이러한 서브세트는, 멤버들의 적어도 25%와 같은, 전극 어셈블리에서의 멤버들의 적어도 10%, 및, 전극 어셈블리에서의 멤버들의 적어도 75%, 그리고 심지어 적어도 90%와 같은, 심지어 적어도 50%를 포함할 수 있다.
일 실시예에서, 캐소드 구조체들(112)의 집단의 서브세트는 충전 상태에서의 캐소드 구조체들의 집단의 멤버의 제1 단면 면적 C1에 대해 위에 주어진 값들과 동일할 및/또는 유사할 수 있는 충전 상태에서의 제1 중간 단면 면적 MAC1을 가질 수 있다. 예를 들어, 일 실시예에서, 캐소드 구조체들(112)의 집단의 서브세트는 3X107 μm2 이하인 제1 중간 단면 면적 MAC1을 가질 수 있다. 추가의 예로서, 일 실시예에서, 캐소드 구조체들(112)의 집단의 서브세트는 1X107 μm2 이하인 충전 상태에서의 제1 중간 단면 면적 MAC1을 가질 수 있다. 또 추가의 예로서, 일 실시예에서 캐소드 구조체들(112)의 집단의 서브세트는 9.03X106 μm2 이하인 충전 상태에서의 제1 중간 단면 면적 MAC1을 가질 수 있다. 또 추가의 예로서, 일 실시예에서, 캐소드 구조체들(112)의 집단의 서브세트는 8X106 μm2 이하인 충전 상태에서의 제1 중간 단면 면적 MAC1을 가질 수 있다. 추가의 예로서, 일 실시예에서 캐소드 구조체들(112)의 집단의 서브세트는 5X106 μm2 이하인 충전 상태에서의 제1 중간 단면 면적 MAC1를 가질 수 있다. 일반적으로, 캐소드 구조체의 집단의 서브세트의 제1 중간 단면 면적 MAC1은 적어도 2X102 μm2일 수 있고, 예를 들어 캐소드 구조체들의 집단의 서브세트의 제1 중간 단면 면적 MAC1은 적어도 2.6X102 μm2일 수 있고, 예를 들어 충전 상태에서의 제1 중간 단면 면적 MAC1은 적어도 3X102 μm2일 수 있다. 예를 들어, 제1 중간 단면 면적 MAC1은, 2.6X102 μm2 내지 9.03X106 μm2와 같은, 1X102 μm2 내지 3X107 μm2의 범위에, 그리고 심지어 3X102 μm2 내지 8X106 μm2의 범위에 있을 수 있다.
또한, 일 실시예에서, 캐소드 구조체들(112)의 집단의 서브세트는 방전 상태에서의 캐소드 구조체들의 집단의 멤버의 제2 단면 면적 C2에 대해 위에 주어진 값들과 동일할 및/또는 유사할 수 있는 방전 상태에서의 제2 중간 단면 면적 MAC2를 가질 수 있다. 예를 들어, 일 실시예에서, 캐소드 구조체들(112)의 집단의 서브세트는 적어도 1.01X102 μm2인 방전 상태에서 충전 상태에서의 제2 중간 단면 면적 MAC2를 가질 수 있다. 추가의 예로서, 일 실시예에서 캐소드 구조체들(112)의 집단의 서브세트는 적어도 1.05X102 μm2인 방전 상태에서의 제2 중간 단면 면적 MAC2를 가질 수 있다. 추가의 예로서, 일 실시예에서 캐소드 구조체들(112)의 집단의 서브세트는 적어도 1.05X103 μm2인 방전 상태에서의 제2 중간 단면 면적 MAC2를 가질 수 있다. 추가의 예로서, 캐소드 구조체들(112)의 집단의 서브세트는 적어도 1.1X103 μm2인 방전 상태에서의 제2 중간 단면 면적 MAC2를 가질 수 있다. 추가의 예로서, 캐소드 구조체들(112)의 집단의 서브세트는 적어도 1.5X103 μm2인 방전 상태에서의 제2 중간 단면 면적 MAC2를 가질 수 있다. 일반적으로, 방전 상태에서의 캐소드 구조체들의 집단의 서브세트의 제2 중간 단면 면적 MAc2는 1.5X1010 μm2를 초과하지 않을 것이고, 예를 들어, 방전 상태에서의 제2 중간 단면 면적 MAc2는 9.5X106 μm2를 초과하지 않을 수 있고, 심지어 1X106 μm2를 초과하지 않을 수 있다. 예를 들어, 제2 중간 단면 면적 MAC2는, 1.05X103 μm2 내지 9.5X106 μm2와 같은, 1.01X102 μm2 내지 1.5X1010 μm2의 범위에, 그리고 심지어 1.1X102 μm2 내지 1X106 μm2의 범위에 있을 수 있다.
또 다른 실시예에서, 캐소드 구조체들(112)의 집단의 서브세트는 방전 상태에서의 제2 단면 면적 C2 대 충전 상태에서의 제1 단면 면적 C1의 비율에 대해 위에 주어진 값들과 동일한 및/또는 유사한 방전 상태에서의 제2 중간 단면 면적 MAC2 대 충전 상태에서의 제1 중간 단면 면적 MAC1의 비율을 가질 수 있다. 예를 들어, 일 실시예에서, 캐소드 구조체들의 집단의 서브세트는 적어도 1.05:1인 방전 상태에서의 제2 중간 단면 면적 MAc2 대 충전 상태에서의 제1 중간 단면 면적 MAc1의 비율을 갖는다. 추가의 예로서, 일 실시예에서 캐소드 구조체들의 집단의 서브세트는 적어도 1.1:1인 방전 상태에서의 제2 중간 단면 면적 MAc2 대 충전 상태에서의 제1 중간 단면 면적 MAc1의 비율을 갖는다. 추가의 예로서, 일 실시예에서 캐소드 구조체들의 집단의 서브세트는 적어도 1.3:1인 방전 상태에서의 제2 중간 단면 면적 MAc2 대 충전 상태에서의 제1 중간 단면 면적 MAc1의 비율을 갖는다. 추가의 예로서, 일 실시예에서 캐소드 구조체들의 집단의 서브세트는 적어도 2:1인 방전 상태에서의 제2 중간 단면 면적 MAc2 대 충전 상태에서의 제1 중간 단면 면적 MAc1의 비율을 갖는다. 추가의 예로서, 일 실시예에서 캐소드 구조체들의 집단의 서브세트는 적어도 3:1인 방전 상태에서의 제2 중간 단면 면적 MAc2 대 충전 상태에서의 제1 중간 단면 면적 MAc1의 비율을 갖는다. 추가의 예로서, 일 실시예에서 캐소드 구조체들의 집단의 서브세트는 적어도 4:1인 방전 상태에서의 제2 중간 단면 면적 MAc2 대 충전 상태에서의 제1 중간 단면 면적 MAc1의 비율을 갖는다. 추가의 예로서, 일 실시예에서 캐소드 구조체들의 집단의 서브세트는 적어도 6:1인 방전 상태에서의 제2 중간 단면 면적 MAc2 대 충전 상태에서의 제1 중간 단면 면적 MAc1의 비율을 갖는다. 일반적으로, 서브세트에 대한 MAC2 대 MAC1의 비율은 약 15:1을 초과하지 않고, 예를 들어 8:1을 초과하지 않는 것과 같이, 심지어 10:1을 초과하지 않을 것이다. 예를 들어, 캐소드 구조체들의 집단의 서브세트는 1.05:1 내지 15:1의 범위에 있을 수 있는 방전 상태에서의 제2 중간 단면 면적 MAc2 대 충전 상태에서의 제1 중간 단면 면적 MAc1의 비율을 갖는다. 추가의 예로서, 캐소드 구조체들의 집단의 서브세트는 1.1:1 내지 6:1의 범위에 있을 수 있는 방전 상태에서의 제2 중간 단면 면적 MAc2 대 충전 상태에서의 제1 중간 단면 면적 MAc1의 비율을 갖는다. 추가의 예로서, 일 실시예에서 캐소드 구조체들의 집단의 서브세트는 1.3:1 내지 4:1의 범위에 있을 수 있는 방전 상태에서의 제2 중간 단면 면적 MAc2 대 충전 상태에서의 제1 중간 단면 면적 MAc1의 비율을 갖는다. 추가의 예로서, 일 실시예에서 제2 중간 단면 면적 MAC2에 관련하여 제1 중간 단면 면적 MAC1의 서브세트의 수축은, 5% 수축 내지 75% 수축과 같은, 2% 수축 내지 90% 수축의 범위에 있을 수 있다. 즉, 캐소드 구조체들의 집단의 서브세트는, 제2 중간 단면 면적 MAC2에 관련하여 적어도 5% 그리고 심지어 적어도 10%와 같이, 제2 중간 단면 면적 MAC2에 관련하여 적어도 2%만큼 수축되는 제1 중간 단면 면적 MAC1을 가질 수 있지만, 제2 중간 단면 면적 MAC2에 관련하여 80% 미만 심지어 75% 미만과 같이, 제2 중간 단면 면적 MAC2에 관련하여 90% 미만만큼 수축될 수 있다.
또한, 일 실시예에서, 애노드 구조체들(110)의 집단의 서브세트는 충전 상태에서의 애노드 구조체들의 집단의 멤버의 제1 단면 면적 A1에 대해 위에 주어진 값들과 동일할 및/또는 유사할 수 있는 충전 상태에서의 제1 중간 단면 면적 MAA1을 가질 수 있다. 예를 들어, 일 실시예에 따르면, 애노드 구조체들(110)의 집단의 서브세트는 적어도 100 μm2인 충전 상태에서의 제1 중간 단면 면적 MAA1을 가질 수 있다. 추가의 예로서, 일 실시예에서 애노드 구조체들(110)의 집단의 서브세트는 적어도 1X103 μm2인 충전 상태에서의 제1 중간 단면 면적 MAA1을 가질 수 있다. 또 추가의 예로서, 일 실시예에서, 애노드 구조체들(110)의 집단의 서브세트는 적어도 4.7X103 μm2인 충전 상태에서의 제1 중간 단면 면적 MAA1을 가질 수 있다. 또 추가의 예로서, 애노드 구조체들(110)의 집단의 서브세트는 적어도 6X103 μm2인 충전 상태에서의 제1 중간 단면 면적 MAA1을 가질 수 있다. 추가의 예로서, 일 실시예에서 애노드 구조체들(110)의 집단의 서브세트는 적어도 8X103 μm2인 충전 상태에서의 제1 중간 단면 면적 MAA1을 가질 수 있다. 일반적으로, 충전 상태에서의 애노드 구조체들의 집단의 서브세트의 제1 중간 단면 면적 MAA1은 1.5X107 μm2를 초과하지 않을 수 있고, 예를 들어 충전 상태에서의 제1 중간 단면 면적 MAA1은 6.8X107 μm2를 초과하지 않을 수 있고, 심지어 5X106 μm2를 초과하지 않을 수 있다. 예를 들어, 충전 상태에서의 제1 중간 단면 면적 MAA1은, 4.7X103 μm2 내지 6.8X106 μm2와 같은, 100 μm2 내지 1.5X107 μm2의 범위에, 그리고 심지어 6X103 μm2 내지 5X106 μm2의 범위에 있을 수 있다.
또한, 일 실시예에서, 애노드 구조체들(110)의 집단의 서브세트는 방전 상태에서의 애노드 구조체들의 집단의 멤버의 제2 단면 면적 A2에 대해 위에 주어진 값들과 동일할 및/또는 유사할 수 있는 방전 상태에서의 제2 중간 단면 면적 MAA2를 가질 수 있다. 예를 들어, 일 실시예에서, 애노드 구조체들(110)의 집단의 서브세트는 3X107 μm2 이하인 방전 상태에서의 제2 중간 단면 면적 MAA2를 가질 수 있다. 추가의 예로서, 일 실시예에서 애노드 구조체들(110)의 집단의 서브세트는 1.5X107 μm2 이하인 방전 상태에서의 제2 중간 단면 면적 MAA2를 가질 수 있다. 추가의 예로서, 일 실시예에서 애노드 구조체들(110)의 집단의 서브세트는 7.1X106 μm2 이하인 방전 상태에서의 제2 중간 단면 면적 MAA2를 가질 수 있다. 추가의 예로서, 일 실시예에서 애노드 구조체들(110)의 집단의 서브세트는 5X106 μm2 이하인 방전 상태에서의 제2 중간 단면 면적 MAA2를 가질 수 있다. 추가의 예로서, 일 실시예에서 애노드 구조체들(110)의 집단의 서브세트는 3X106 μm2 이하인 방전 상태에서의 제2 중간 단면 면적 MAA2를 가질 수 있다. 일반적으로, 충전 상태에서의 애노드 구조체들의 집단의 서브세트의 제2 중간 단면 면적 MAA2은 적어도 1.5X103 μm2일 것이고, 예를 들어, 방전 상태에서의 제2 중간 단면 면적 MAA2는 적어도 1.6X103 μm2, 그리고 심지어 적어도 3X103 μm2일 수 있다. 예를 들어, 방전 상태에서의 제2 중간 단면 면적 MAA2는, 1.6X103 μm2 내지 7.1X106 μm2와 같은, 500 μm2 내지 3X107 μm2의 범위에, 그리고 심지어 3X103 μm2 내지 5X106 μm2의 범위에 있을 수 있다.
또 다른 실시예에서, 애노드 구조체들(110)의 집단의 서브세트는 충전 상태에서의 제1 단면 면적 A1 대 방전 상태에서의 제2 단면 면적 A2의 비율에 대해 위에 주어진 값들과 동일한 및/또는 유사한 충전 상태에서의 제1 중간 단면 면적 MAA1 대 방전 상태에서의 제2 중간 단면 면적 MAA2의 비율을 가질 수 있다. 예를 들어, 일 실시예에서, 애노드 구조체들의 집단의 서브세트는 적어도 1.01:1인 충전 상태에서의 제1 중간 단면 면적 MAA1 대 방전 상태에서의 제2 중간 단면 면적 MAA2의 비율을 갖는다. 추가의 예로서, 일 실시예에서 애노드 구조체들의 집단의 서브세트는 적어도 1.05:1인 충전 상태에서의 제1 중간 단면 면적 MAA1 대 방전 상태에서의 제2 중간 단면 면적 MAA2의 비율을 갖는다. 추가의 예로서, 일 실시예에서 애노드 구조체들의 집단의 서브세트는 적어도 1.5:1인 충전 상태에서의 제1 중간 단면 면적 MAA1 대 방전 상태에서의 제2 중간 단면 면적 MAA2의 비율을 갖는다. 추가의 예로서, 일 실시예에서 애노드 구조체들의 집단의 서브세트는 적어도 2:1인 충전 상태에서의 제1 중간 단면 면적 MAA1 대 방전 상태에서의 제2 중간 단면 면적 MAA2의 비율을 갖는다. 추가의 예로서, 일 실시예에서 애노드 구조체들의 집단의 서브세트는 적어도 3:1인 충전 상태에서의 제1 중간 단면 면적 MAA1 대 방전 상태에서의 제2 중간 단면 면적 MAA2의 비율을 갖는다. 추가의 예로서, 일 실시예에서 애노드 구조체들의 집단의 서브세트는 적어도 4:1인 충전 상태에서의 제1 중간 단면 면적 MAA1 대 방전 상태에서의 제2 중간 단면 면적 MAA2의 비율을 갖는다. 추가의 예로서, 일 실시예에서 애노드 구조체들의 집단의 서브세트는 적어도 5:1인 충전 상태에서의 제1 중간 단면 면적 MAA1 대 방전 상태에서의 제2 중간 단면 면적 MAA2의 비율을 갖는다. 예를 들어, 일 실시예에서 애노드 구조체들의 집단의 서브세트는 1.01:1 내지 5:1의 범위에 있을 수 있는 충전 상태에서의 제1 중간 단면 면적 MAA1 대 방전 상태에서의 제2 중간 단면 면적 MAA2의 비율을 갖는다. 추가의 예로서, 일 실시예에서 애노드 구조체들의 집단의 서브세트는 1.01 내지 4:1의 범위에 있을 수 있는 충전 상태에서의 제1 중간 단면 면적 MAA1 대 방전 상태에서의 제2 중간 단면 면적 MAA2의 비율을 갖는다. 추가의 예로서, 일 실시예에서 애노드 구조체들의 집단의 서브세트는 1.01:1 내지 3:1의 범위에, 그리고 심지어 1.5:1 내지 3:1의 범위에 있을 수 있는 충전 상태에서의 제1 중간 단면 면적 MAA1 대 방전 상태에서의 제2 중간 단면 면적 MAA2의 비율을 갖는다.
또 다른 실시예에서, 애노드 구조체들의 집단의 멤버들은, 예를 들어 도 1a에 도시되는 바와 같이, 가로 방향으로 측정되는 길이 LA, 세로 방향으로 측정되는 폭 WA, 및 수직 방향으로 측정되는 높이 HA를 갖는 것으로 각각 이해될 수 있다. 유사하게, 캐소드 구조체들의 집단의 멤버들은 가로 방향으로 측정되는 길이 LC, 세로 방향으로 측정되는 폭 WC, 및 수직 방향으로 측정되는 높이 HC를 갖는 것으로 각각 이해될 수 있다. 애노드 및 캐소드 구조체 멤버들의 길이들 LA 및 LC는, 각각, 예를 들어 도 1c에 묘사되는 바와 같이, 각각의 멤버의 하부(115a)로부터 상부(115b)까지 측정되는 바와 같을 수 있고, 여기서 하부(115a)는 멤버가 연장되는 평면(121)에 근접하고, 상부(115b)는 평면(121)에 대해 원위이다. 또한, 일 실시예에서, 애노드 및/또는 캐소드 구조체들의 집단의 멤버들의 길이 LA 및/또는 LC는 멤버들의 폭 및 높이 각각의 적어도 5배일 수 있다(예를 들어, 멤버의 길이는 폭 또는 높이보다 길 수 있음). 예를 들어, 멤버들의 길이 L(예를 들어, LA 또는 LC) 대 폭 W(예를 들어, WA 또는 WC) 및 높이 H(예를 들어, HA 또는 HC) 각각의 비율은, 적어도 10:1, 그리고, 적어도 20:1과 같은, 심지어 적어도 15:1일 수 있다.
일 양태에 따르면, 캐소드 및/또는 애노드 집단들의 적어도 하나의 멤버의 단면 면적은, 세로 방향에 평행할 뿐만 아니라, LA 및 LC의 방향 중 하나 이상의 방향에 또한 직교하는 제1 세로 평면에서 측정된다. 예를 들어, 도 1c에서의 실시예를 참조하면, 제1 세로 평면(113)은 적층 방향(세로 방향)과 평행한 것으로서, 한편 또한 애노드 및 캐소드 구조체 집단들의 멤버들의 길이 방향에 수직인 것으로서 묘사되고, 이는 실시예에서 내부에 묘사되는 바와 같은 X 방향이다. 예를 들어, 일 실시예에 따르면, 제1 세로 평면은 Z-Y 평면에 있을 수 있고, 여기서 Y는 세로 방향에 평행한 축에 대응하고, Z는 세로 방향에 직교하는 한편, 각각, 애노드 구조체들 및 캐소드 구조체들의 집단의 멤버들의 길이 LA 및/또는 LC에 또한 직교하는 축에 대응한다. 또 다른 실시예에서, 단면 면적(들)이 측정되는 제1 세로 평면은 Y 축(예를 들어, 세로 축)을 따라 회전되는 바와 같이 Z-Y 평면으로부터 15도 미만 떨어진 평면 내에 있다. 또 다른 실시예에서, 단면 면적(들)이 측정되는 제1 세로 평면은 Y 축(예를 들어, 세로 축)을 따라 회전되는 바와 같이 Z-Y 평면으로부터 45도 미만 떨어진 평면 내에 있다. 또 다른 실시예에서, 단면 면적(들)이 측정되는 제1 세로 평면은 Y 축(예를 들어, 세로 축)을 따라 회전되는 바와 같이 Z-Y 평면으로부터 45도 초과 떨어져 있지만 Z-Y 평면으로부터 90도 미만인 평면 내에 있다. 또 다른 실시예에서, 제1 세로 평면은 X-Y 평면에 있고, 여기서 Y 축은 세로 방향에 평행한 축에 대응하고, X 축은 세로 축에 직교하는, 그리고, 각각, 애노드 구조체들 및 캐소드 구조체들의 집단의 멤버들의 길이들 LA 및/또는 LC에 또한 평행한 축에 대응한다. 또한, 일 실시예에서, 애노드들 및/또는 캐소드들의 길이 LA 또는 LC을 따른 제1 세로 평면(113)의 위치는 이루어질 측정에 따라 선택될 수 있다. 예를 들어, 일 실시예에서, 제1 세로 평면(113)은, 도 1c에 묘사되는 바와 같이, 애노드들 및/또는 캐소드들의 길이 L을 따라 약 절반(예를 들어, X 방향으로 길이를 따라 약 절반) Z-Y 평면에 배치될 수 있다. 다른 실시예에서, 제1 세로 평면은, 캐소드 및/또는 애노드 구조체들 중 하나 이상의 단부에 더 가까운(예를 들어, X 방향으로 애노드들 및/또는 캐소드들의 베이스 또는 상부에 더 가까운) Z-Y 평면에 배치될 수 있다. 또 다른 실시예에서, 단면 면적들은 세로 방향에 평행한 복수의 세로 평면들(113a, 113b)에서 측정될 수 있다.
또 다른 실시예에 따르면, 애노드 구조체 집단의 서브세트의 적어도 하나의 멤버는 해당 멤버에 대한 세로 방향에 평행한 복수의 평면들에서 측정되는 바와 같은 복수의 단면 면적들 A의 멤버에 대한 중간인 중간 단면 면적 MLA를 가질 수 있다. 유사하게, 캐소드 집단의 서브세트의 적어도 하나의 멤버는 해당 멤버에 대한 세로 방향에 평행한 복수의 평면에서 측정되는 바와 같은 복수의 단면 면적들 C의 멤버에 대한 중간인 중간 단면 면적 MLC를 가질 수 있다. 예를 들어, 도 1c를 참조하면, 애노드 구조체들의 집단의 멤버에 대한 단면들 A는, 예를 들어, 제1 세로 평면(113) 및 하나 이상의 평면(113a,b)과 같은, 해당 멤버에 대한 세로 방향에 평행한 복수의 평면들(113a,b)에서 측정될 수 있다. 일 실시예에서, 하나 이상의 다른 평면들(113a,b)은 제1 세로 평면(113)에 평행한 평면들이고, 애노드들의 길이를 따라 상이한 위치들에(예를 들어, X 축 상의 상이한 위치들에) 위치될 수 있다. 따라서, 중간 단면 면적 MLA는 애노드 구조체들의 집단의 멤버에 대한 각각의 세로 평면에서 측정되는 단면들 A의 중간으로서 계산될 수 있다. 유사하게, 캐소드 구조체들의 집단의 멤버에 대한 단면들 C는, 예를 들어, 제1 세로 평면(113) 및 하나 이상의 평면(113a,b)과 같은, 해당 멤버에 대한 세로 방향에 평행한 복수의 평면들(113a,b)에서 측정될 수 있다. 일 실시예에서, 하나 이상의 다른 평면들(113a,b)은 제1 세로 평면(113)에 평행한 평면들이고, 캐소드들의 길이를 따라 상이한 위치들에(예를 들어, X 축 상의 상이한 위치들에) 위치될 수 있다. 따라서, 중간 단면 MLC는 캐소드 구조체들의 집단의 멤버에 대한 각각의 세로 평면에서 측정되는 단면들 C의 중간으로서 계산될 수 있다.
일 실시예에서, 중간 단면 면적들 MLA 및 MLC는, 각각, 애노드 및 캐소드 구조체 집단 서브세트들에 대해 적어도 2개의 세로 평면들에서 측정되는 바와 같은 단면 면적들의 중간 단면 면적들이다. 일 실시예에서, 중간 단면 면적들 MLA 및 MLC는, 각각, 애노드 및 캐소드 구조체 집단 서브세트들에 대해 적어도 3개의 세로 평면들에서 측정되는 바와 같은 단면 면적들의 중간 단면 면적들이다. 일 실시예에서, 중간 단면 면적들 MLA 및 MLC는, 각각, 애노드 및 캐소드 구조체 집단 서브세트들에 대해 적어도 5개의 세로 평면들에서 측정되는 바와 같은 단면 면적들의 중간 단면 면적들이다. 일 실시예에서, 중간 단면 면적들 MLA 및 MLC는, 각각, 애노드 및 캐소드 구조체 집단 서브세트들에 대해 적어도 10개의 세로 평면들에서 측정되는 바와 같은 단면 면적들의 중간 단면 면적들이다. 또한, 일 실시예에서, 중간 단면 면적들 MLA 및 MLC는 미리 결정된 길이만큼 서로 떨어져 이격되는 적어도 2개의 세로 평면들에서 측정되는 바와 같은 단면 면적들의 중간일 수 있다. 예를 들어, 일 실시예에서, 중간 단면 면적들 MLA 및 MLC는 (예를 들어, X 축을 따라 이격되는) 멤버들의 길이 LA 및/또는 LC의 적어도 10%만큼 서로 떨어져 이격되는 적어도 2개의 세로 평면들에서의 멤버에 대해 측정되는 바와 같은 단면 면적들의 중간이다. 다른 예로서, 일 실시예에서, 중간 단면 면적들 MLA 및 MLC는 (예를 들어, X 축을 따라 이격되는) 멤버들의 길이 LA 및/또는 LC의 적어도 15%만큼 서로 떨어져 이격되는 적어도 2개의 세로 평면들에서의 멤버에 대해 측정되는 바와 같은 단면 면적들의 중간이다. 다른 예로서, 일 실시예에서, 중간 단면 면적들 MLA 및 MLC는 (예를 들어, X 축을 따라 이격되는) 멤버들의 길이 LA 및/또는 LC의 적어도 20%만큼 서로 떨어져 이격되는 적어도 2개의 세로 평면들에서의 멤버에 대해 측정되는 바와 같은 단면 면적들의 중간이다. 예를 들어, 일 실시예에서, 중간 단면 면적들 MLA 및 MLC는 (예를 들어, X 축을 따라 이격되는) 멤버들의 길이 LA 및/또는 LC의 적어도 25%만큼 서로 떨어져 이격되는 적어도 2개의 세로 평면들에서의 멤버에 대해 측정되는 바와 같은 단면 면적들의 중간이다. 다른 예로서, 일 실시예에서, 중간 단면 면적들 MLA 및 MLC는 (예를 들어, X 축을 따라 이격되는) 멤버들의 길이 LA 및/또는 LC의 적어도 30%만큼 서로 떨어져 이격되는 적어도 2개의 세로 평면들에서의 멤버에 대해 측정되는 바와 같은 단면 면적들의 중간이다. 다른 예로서, 일 실시예에서, 중간 단면 면적들 MLA 및 MLC는 (예를 들어, X 축을 따라 이격되는) 멤버들의 길이 LA 및/또는 LC의 적어도 50%만큼 서로 떨어져 이격되는 적어도 2개의 세로 평면들에서의 멤버에 대해 측정되는 바와 같은 단면 면적들의 중간이다. 다른 예로서, 일 실시예에서, 중간 단면 면적들 MLA 및 MLC는 (예를 들어, X 축을 따라 이격되는) 멤버들의 길이 LA 및/또는 LC의 적어도 75%만큼 서로 떨어져 이격되는 적어도 2개의 세로 평면들에서의 멤버에 대해 측정되는 바와 같은 단면 면적들의 중간이다.
따라서, 일 실시예에서, 애노드 구조체 집단 서브세트의 적어도 하나의 멤버는 2차 배터리가 충전 상태에 있을 때 제1 중간 단면 면적 MLA1을, 그리고 2차 배터리가 방전 상태에 있을 때 제2 중간 단면 면적 MLA2를 가질 수 있고, 유사하게 캐소드 구조체 집단 서브세트의 적어도 하나의 멤버는 2차 배터리가 충전 상태에 있을 때 제1 중간 단면 면적 MLC1을, 그리고 2차 배터리가 방전 상태에 있을 때 제2 중간 단면 면적 MLC2를 가질 수 있고, 여기서 애노드 구조체 집단의 서브세트의 멤버들 각각에 대해 MLA1은 MLA2 초과이고, 캐소드 집단의 서브세트의 멤버들 각각에 대해 MLC1은 MLC2 미만이다.
일 실시예에서, 캐소드 구조체들(112)의 집단의 서브세트의 적어도 하나의 멤버는 충전 상태에서의 캐소드 구조체들의 집단의 멤버의 제1 단면 면적 C1에 대해 위에 주어진 값들과 동일할 및/또는 유사할 수 있는 충전 상태에서의 제1 중간 단면 면적(MLc1)을 가질 수 있다. 예를 들어, 일 실시예에서, 캐소드 구조체들(112)의 집단의 서브세트의 적어도 하나의 멤버는 3X107 μm2 이하인 충전 상태에서의 제1 중간 단면 면적 MLC1을 가질 수 있다. 추가의 예로서, 일 실시예에서, 캐소드 구조체들(112)의 집단의 서브세트의 적어도 하나의 멤버는 1X107 μm2 이하인 충전 상태에서의 제1 중간 단면 면적 MLC1을 가질 수 있다. 또 추가의 예로서, 일 실시예에서, 캐소드 구조체들(112)의 집단의 서브세트의 적어도 하나의 멤버는 9.03X106 μm2 이하인 충전 상태에서의 제1 중간 단면 면적 MLC1을 가질 수 있다. 또 추가의 예로서, 일 실시예에서, 캐소드 구조체들(112)의 집단의 서브세트의 적어도 하나의 멤버는 8X106 μm2 이하인 충전 상태에서의 제1 중간 단면 면적 MLC1을 가질 수 있다. 추가의 예로서, 일 실시예에서 캐소드 구조체들(112)의 집단의 서브세트의 적어도 하나의 멤버는 5X106 μm2 이하인 충전 상태에서의 제1 중간 단면 면적 MLC1을 가질 수 있다. 일반적으로, 캐소드 구조체들의 집단의 서브세트의 적어도 하나의 멤버의 제1 중간 단면 면적 MLC1은 적어도 2X102 μm2일 수 있고, 예를 들어, 충전 상태에서의 제1 중간 단면 면적 MLC1은 적어도 2.6X102 μm2, 그리고 심지어 적어도 3X102 μm2일 수 있다. 예를 들어, 충전 상태에서의 제1 중간 단면 면적 MLC1은, 2.6X102 μm2 내지 9.03X106 μm2와 같은, 1X102 μm2 내지 3X107 μm2의 범위에, 그리고 심지어 3X102 μm2 내지 8X106 μm2의 범위에 있을 수 있다.
또한, 일 실시예에서, 캐소드 구조체들(112)의 집단의 서브세트의 적어도 하나의 멤버는 방전 상태에서의 캐소드 구조체들의 집단의 멤버의 제2 단면 면적C2에 대해 위에 주어진 값들과 동일할 및/또는 유사할 수 있는 방전 상태에서의 제2 중간 단면 면적 MLc2을 가질 수 있다. 예를 들어, 일 실시예에서, 캐소드 구조체들(112)의 집단의 서브세트의 적어도 하나의 멤버는 적어도 1.01X102 μm2인 방전 상태에서의 제2 중간 단면 면적 MLC2을 가질 수 있다. 추가의 예로서, 일 실시예에서 캐소드 구조체들(112)의 집단의 서브세트의 적어도 하나의 멤버는 적어도 1.05X102 μm2인 방전 상태에서의 제2 중간 단면 면적 MLC2을 가질 수 있다. 추가의 예로서, 일 실시예에서 캐소드 구조체들(112)의 집단의 서브세트의 적어도 하나의 멤버는 적어도 1.05X103 μm2인 방전 상태에서의 제2 중간 단면 면적 MLC2을 가질 수 있다. 추가의 예로서, 캐소드 구조체들(112)의 집단의 서브세트의 적어도 하나의 멤버는 적어도 1.1X103 μm2인 방전 상태에서의 제2 중간 단면 면적 MLC2을 가질 수 있다. 추가의 예로서, 일 실시예에서 캐소드 구조체들(112)의 집단의 서브세트의 적어도 하나의 멤버는 적어도 1.5X103 μm2인 방전 상태에서의 제2 중간 단면 면적 MLC2을 가질 수 있다. 일반적으로, 방전 상태에서의 캐소드 구조체들의 집단의 서브세트의 적어도 하나의 멤버의 제2 중간 단면 면적 MLc2는 1.5X1010 μm2를 초과하지 않을 것이고, 예를 들어, 적어도 하나의 멤버의 방전 상태에서의 제2 중간 단면 면적 MAc2는 9.5X106 μm2를 초과하지 않을 수 있고, 심지어 1X106 μm2를 초과하지 않을 수 있다. 예를 들어, 제2 중간 단면 면적 MLC2는, 1.05X103 μm2 내지 9.5X106 μm2와 같은, 1.01X102 μm2 내지 1.5X1010 μm2의 범위에, 그리고 심지어 1.1X102 μm2 내지 1X106 μm2의 범위에 있을 수 있다.
또 다른 실시예에서, 캐소드 구조체들(112)의 집단의 서브세트의 적어도 하나의 멤버는 방전 상태에서의 제2 단면 면적 C2 대 충전 상태에서의 제1 단면 면적 C1의 비율에 대해 위에 주어진 값들과 동일한 및/또는 유사한 방전 상태에서의 제2 중간 단면 면적 MLC2 대 충전 상태에서의 제1 중간 단면 면적 MLC1의 비율을 가질 수 있다. 예를 들어, 일 실시예에서, 캐소드 구조체들의 집단의 서브세트의 적어도 하나의 멤버는 적어도 1.05:1인 방전 상태에서의 제2 중간 단면 면적 MLc2 대 충전 상태에서의 제1 중간 단면 면적 MLc1의 비율을 갖는다. 추가의 예로서, 일 실시예에서 캐소드 구조체들의 집단의 서브세트의 적어도 하나의 멤버는 적어도 1.1:1인 방전 상태에서의 제2 중간 단면 면적 MLc2 대 충전 상태에서의 제1 중간 단면 면적 MLc1의 비율을 갖는다. 추가의 예로서, 일 실시예에서 캐소드 구조체들의 집단의 서브세트의 적어도 하나의 멤버는 적어도 1.3:1인 방전 상태에서의 제2 중간 단면 면적 MLc2 대 충전 상태에서의 제1 중간 단면 면적 MLc1의 비율을 갖는다. 추가의 예로서, 일 실시예에서 캐소드 구조체들의 집단의 서브세트의 적어도 하나의 멤버는 적어도 2:1인 방전 상태에서의 제2 중간 단면 면적 MLc2 대 충전 상태에서의 제1 중간 단면 면적 MLc1의 비율을 갖는다. 추가의 예로서, 일 실시예에서 캐소드 구조체들의 집단의 서브세트의 적어도 하나의 멤버는 적어도 3:1인 방전 상태에서의 제2 중간 단면 면적 MLc2 대 충전 상태에서의 제1 중간 단면 면적 MLc1의 비율을 갖는다. 추가의 예로서, 일 실시예에서 캐소드 구조체들의 집단의 서브세트의 적어도 하나의 멤버는 적어도 4:1인 방전 상태에서의 제2 중간 단면 면적 MLc2 대 충전 상태에서의 제1 중간 단면 면적 MLc1의 비율을 갖는다. 추가의 예로서, 일 실시예에서 캐소드 구조체들의 집단의 서브세트의 적어도 하나의 멤버는 적어도 6:1인 방전 상태에서의 제2 중간 단면 면적 MLc2 대 충전 상태에서의 제1 중간 단면 면적 MLc1의 비율을 갖는다. 일반적으로, 제2 중간 단면 면적 MLC2 대 제1 중간 단면 면적 MLC1의 비율은 약 15:1을 초과하지 않을 것이고, 심지어, 예를 들어 8:1을 초과하지 않을 수 있는 것과 같이, 10:1을 초과하지 않을 것이다. 예를 들어, 캐소드 구조체들의 집단의 서브세트의 적어도 하나의 멤버는 1.05:1 내지 15:1의 범위에 있을 수 있는 방전 상태에서의 제2 중간 단면 면적 MLc2 대 충전 상태에서의 제1 중간 단면 면적 MLc1의 비율을 가질 수 있다. 추가의 예로서, 캐소드 구조체들의 집단의 서브세트의 적어도 하나의 멤버는 1.1:1 내지 6:1의 범위에 있을 수 있는 방전 상태에서의 제2 중간 단면 면적 MLc2 대 충전 상태에서의 제1 중간 단면 면적 MLc1의 비율을 갖는다. 추가의 예로서, 일 실시예에서 캐소드 구조체들의 집단의 서브세트의 적어도 하나의 멤버는 1.3:1 내지 4:1의 범위에 있을 수 있는 방전 상태에서의 제2 중간 단면 면적 MLc2 대 충전 상태에서의 제1 중간 단면 면적 MLc1의 비율을 갖는다. 또한, 일 실시예에서, 제2 중간 단면 면적 MLC2에 관련하여 제1 중간 단면 면적 MLC1의 수축은, 5% 수축 내지 75% 수축, 그리고 심지어 10% 수축 내지 70% 수축과 같은, 2% 수축 내지 90% 수축의 범위에 있을 수 있다. 즉, 제1 중간 단면 면적 MLC1은, MLC2에 관련하여, 적어도 5% 그리고 심지어 적어도 10%와 같이, 중간 단면 면적 MLC2에 관련하여 적어도 2%만큼 수축될 수 있지만, 80% 미만과 같이, MLC2에 관련하여 90% 미만 그리고, MLC2에 관련하여 70% 미만과 같이, MLC2에 관련하여 심지어 75% 미만 수축될 수 있다.
또한, 일 실시예에서, 애노드 구조체들(110)의 집단의 서브세트의 적어도 하나의 멤버는 충전 상태에서의 애노드 구조체들의 집단의 멤버의 제1 단면 면적 A1에 대해 위에 주어진 값들과 동일할 및/또는 유사할 수 있는 충전 상태에서의 제1 중간 단면 면적 MLA1을 가질 수 있다. 예를 들어, 일 실시예에서, 애노드 구조체들(110)의 집단의 서브세트의 적어도 하나의 멤버는 적어도 100 μm2인 충전 상태에서의 제1 중간 단면 면적 MLA1을 가질 수 있다. 추가의 예로서, 일 실시예에서 애노드 구조체들(110)의 집단의 서브세트의 적어도 하나의 멤버는 적어도 1X103 μm2인 충전 상태에서의 제1 중간 단면 면적 MLA1을 가질 수 있다. 또 추가의 예로서, 일 실시예에서 애노드 구조체들(110)의 집단의 서브세트의 적어도 하나의 멤버는 적어도 4.7X103 μm2인 충전 상태에서의 제1 중간 단면 면적 MLA1을 가질 수 있다. 또 추가의 예로서, 애노드 구조체들(110)의 집단의 서브세트의 적어도 하나의 멤버는 적어도 6X103 μm2인 충전 상태에서의 제1 중간 단면 면적 MLA1을 가질 수 있다. 추가의 예로서, 일 실시예에서 애노드 구조체들(110)의 집단의 서브세트의 적어도 하나의 멤버는 적어도 8X103 μm2인 충전 상태에서의 제1 중간 단면 면적 MLA1을 가질 수 있다. 일반적으로, 충전 상태에서의 애노드 구조체들의 집단의 서브세트의 적어도 하나의 멤버의 제1 중간 단면 면적 MLA1은 1.5X107 μm2를 초과하지 않을 수 있고, 예를 들어, 적어도 하나의 멤버의 충전 상태에서의 제1 중간 단면 면적 MLA1은 6.8X107 μm2를 초과하지 않을 수 있고, 심지어 5X106 μm2를 초과하지 않을 수 있다. 예를 들어, 애노드 구조체들의 집단의 서브세트의 적어도 하나의 멤버의 제1 중간 단면 면적 MLA1은, 4.7X103 μm2 내지 6.8X106 μm2와 같은, 100 μm2 내지 1.5X107 μm2의 범위에, 그리고 심지어 6X103 μm2 내지 5X106 μm2의 범위에 있을 수 있다.
또한, 일 실시예에서, 애노드 구조체들(110)의 집단의 서브세트의 적어도 하나의 멤버는 충전 상태에서의 애노드 구조체들의 집단의 멤버의 제1 단면 면적 A2에 대해 위에 주어진 값들과 동일할 및/또는 유사할 수 있는 방전 상태에서의 제2 중간 단면 면적 MLA2을 가질 수 있다. 예를 들어, 애노드 구조체들(110)의 집단의 서브세트의 적어도 하나의 멤버는 3X107 μm2 이하인 방전 상태에서의 제2 중간 단면 면적 MLA2를 가질 수 있다. 추가의 예로서, 일 실시예에서 애노드 구조체들(110)의 집단의 서브세트의 적어도 하나의 멤버는 1.5X107 μm2 이하인 방전 상태에서의 제2 중간 단면 면적 MLA2를 가질 수 있다. 추가의 예로서, 일 실시예에서 애노드 구조체들(110)의 집단의 서브세트의 적어도 하나의 멤버는 7.1X106 μm2 이하인 방전 상태에서의 제2 중간 단면 면적 MLA2를 가질 수 있다. 추가의 예로서, 일 실시예에서 애노드 구조체들(110)의 집단의 서브세트의 적어도 하나의 멤버는 5X106 μm2 이하인 방전 상태에서의 제2 중간 단면 면적 MLA2를 가질 수 있다. 추가의 예로서, 일 실시예에서 애노드 구조체들(110)의 집단의 서브세트의 적어도 하나의 멤버는 3X106 μm2 이하인 방전 상태에서의 제2 중간 단면 면적 MLA2를 가질 수 있다. 일반적으로, 충전 상태에서의 애노드 구조체들의 집단의 서브세트의 적어도 하나의 멤버의 제2 중간 단면 면적 MLA2는 적어도 1.5X103 μm2일 것이고, 예를 들어 방전 상태에서의 적어도 하나의 멤버의 제2 중간 단면 면적 MLA2은 적어도 1.6X103 μm2, 그리고 심지어 적어도 3X103 μm2일 수 있다. 예를 들어, 방전 상태에서의 제2 중간 단면 면적 MLA2는, 1.6X103 μm2 내지 7.1X106 μm2와 같은, 500 μm2 내지 3X107 μm2의 범위에, 그리고 심지어 3X103 μm2 내지 5X106 μm2의 범위에 있을 수 있다.
또 다른 실시예에서, 애노드 구조체들(110)의 집단의 서브세트의 적어도 하나의 멤버는 충전 상태에서의 제1 단면 면적A1 대 방전 상태에서의 제2 단면 면적 A2의 비율에 대한 위에 주어진 값들과 동일한 및/또는 유사한 충전 상태에서의 제1 중간 단면 면적MLA1 대 방전 상태에서의 제2 중간 단면 면적 MLA2의 비율을 가질 수 있다. 예를 들어, 일 실시예에서, 애노드 구조체들의 집단의 서브세트의 적어도 하나의 멤버는 적어도 1.01:1인 충전 상태에서의 제1 중간 단면 면적 MLA1 대 방전 상태에서의 제2 중간 단면 면적 MLA2의 비율을 갖는다. 추가의 예로서, 일 실시예에서 애노드 구조체들의 집단의 서브세트의 적어도 하나의 멤버는 적어도 1.05:1인 충전 상태에서의 제1 중간 단면 면적 MLA1 대 방전 상태에서의 제2 중간 단면 면적 MLA2의 비율을 갖는다. 추가의 예로서, 일 실시예에서 애노드 구조체들의 집단의 서브세트의 적어도 하나의 멤버는 적어도 1.5:1인 충전 상태에서의 제1 중간 단면 면적 MLA1 대 방전 상태에서의 제2 중간 단면 면적 MLA2의 비율을 갖는다. 추가의 예로서, 일 실시예에서 애노드 구조체들의 집단의 서브세트의 적어도 하나의 멤버는 적어도 2:1인 충전 상태에서의 제1 중간 단면 면적 MLA1 대 방전 상태에서의 제2 중간 단면 면적 MLA2의 비율을 갖는다. 추가의 예로서, 일 실시예에서 애노드 구조체들의 집단의 서브세트의 적어도 하나의 멤버는 적어도 3:1인 충전 상태에서의 제1 중간 단면 면적 MLA1 대 방전 상태에서의 제2 중간 단면 면적 MLA2의 비율을 갖는다. 추가의 예로서, 일 실시예에서 애노드 구조체들의 집단의 서브세트의 적어도 하나의 멤버는 적어도 4:1인 충전 상태에서의 제1 중간 단면 면적 MLA1 대 방전 상태에서의 제2 중간 단면 면적 MLA2의 비율을 갖는다. 추가의 예로서, 일 실시예에서 애노드 구조체들의 집단의 서브세트의 적어도 하나의 멤버는 적어도 5:1인 충전 상태에서의 제1 중간 단면 면적 MLA1 대 방전 상태에서의 제2 중간 단면 면적 MLA2의 비율을 갖는다. 예를 들어, 일 실시예에서, 애노드 구조체들의 집단의 서브세트의 적어도 하나의 멤버는 1.01:1 내지 5:1의 범위에 있을 수 있는 충전 상태에서의 제1 중간 단면 면적 MLA1 대 방전 상태에서의 제2 중간 단면 면적 MLA2의 비율을 갖는다. 추가의 예로서, 일 실시예에서 애노드 구조체들의 집단의 서브세트의 적어도 하나의 멤버는 1.01:1 내지 4:1의 범위에 있을 수 있는 충전 상태에서의 제1 중간 단면 면적 MLA1 대 방전 상태에서의 제2 중간 단면 면적 MLA2의 비율을 갖는다. 추가의 예로서, 일 실시예에서 애노드 구조체들의 집단의 서브세트의 적어도 하나의 멤버는 1.01:1 내지 3:1의 범위에, 그리고 심지어 1.5:1 내지 3:1의 범위에 있을 수 있는 충전 상태에서의 제1 중간 단면 면적 MLA1 대 방전 상태에서의 제2 중간 단면 면적 MLA2의 비율을 갖는다.
또 다른 실시예에 따르면, 중간 단면 면적들 MOA 및/또는 MOC는, 각각의 멤버(예를 들어, MLA 및/또는 MLC)에 대해 복수의 세로 평면들에서 측정되는 바와 같은 단면 면적들의 중간을 평가하는 것, 및 다음으로 이러한 값의 중간을 애노드 구조체 집단 또는 애노드 구조체 집단의, 적어도 2개의 멤버들과 같은, 서브세트에 대해 측정되는 것으로서 취하는 것에 의해, 각각, 애노드 구조체 집단 및/또는 캐소드 구조체 집단의 서브세트에 대해 측정될 수 있다. 즉, MOA 및/또는 MOC는 복수의 세로 평면들에서, 그리고 다수의 애노드들 및/또는 캐소드들에 걸쳐 측정되는 바와 같은 단면 면적들의 "전체적인(overall)" 중간으로서 이해될 수 있다. MOA 및/또는 MOC를 획득하기 위해 중간이 평가되는 애노드들 및/또는 캐소드들의 서브세트는 위에 설명된 서브세트들 중 임의의 것에 대응할 수 있다. 위 MAA, MLA, MAC 및 MLC 값들과 유사하게, 애노드 구조체들의 집단의 서브세트는, 2차 배터리가 충전 상태에 있을 때 제1 중간 단면 면적 MOA1을 갖고, 2차 배터리가 방전 상태에 있을 때 제2 중간 단면 면적 MOA2을 갖고, 캐소드 구조체들의 집단의 서브세트는 2차 배터리가 충전 상태에 있을 때 제1 중간 단면 면적 MOC1을 갖고, 2차 배터리가 방전 상태에 있을 때 제2 중간 단면 면적 MOC2을 갖고, 여기서 MOA1은 MOA2 초과이고, MOC1는 MOC2 미만이다.
일 실시예에서, 캐소드 구조체들(112)의 집단의 서브세트는 충전 상태에서의 캐소드 구조체들의 집단의 멤버의 제1 단면 면적 C1에 대해 위에 주어진 값들과 동일할 및/또는 유사할 수 있는 충전 상태에서의 제1 중간 단면 면적 MOc1을 가질 수 있다. 예를 들어, 일 실시예에서, 캐소드 구조체들(112)의 집단의 서브세트는 3X107 μm2 이하인 충전 상태에서의 제1 중간 단면 면적 MOC1을 가질 수 있다. 추가의 예로서, 일 실시예에서 캐소드 구조체들(112)의 집단의 서브세트는 1X107 μm2 이하인 충전 상태에서의 제1 중간 단면 면적 MOC1을 가질 수 있다. 또 추가의 예로서, 일 실시예에서, 캐소드 구조체들(112)의 집단의 서브세트는 9.3X106 μm2 이하인 충전 상태에서의 제1 중간 단면 면적 MOC1을 가질 수 있다. 또 추가의 예로서, 일 실시예에서, 캐소드 구조체들(112)의 집단의 서브세트는 8X106 μm2 이하인 충전 상태에서의 제1 중간 단면 면적 MOC1을 가질 수 있다. 추가의 예로서, 일 실시예에서 캐소드 구조체들(112)의 집단의 서브세트는 5X106 μm2 이하인 충전 상태에서의 제1 중간 단면 면적 MOC1을 가질 수 있다. 일반적으로, 캐소드 구조체의 집단의 서브세트의 제1 중간 단면 면적 MOC1은 적어도 2.0X106 μm2일 수 있고, 예를 들어, 충전 상태에서의 제1 중간 단면 면적 MOC1은 적어도 2.6X102 μm2, 그리고 심지어 적어도 5X102 μm2일 수 있다. 예를 들어, 캐소드 구조체들의 집단의 서브세트의 제1 중간 단면 면적 MOC1은, 2.6X102 μm2 내지 9.03X106 μm2와 같은, 1X102 μm2 내지 3X107 μm2의 범위에, 그리고 심지어 3X102 μm2 내지 8X106 μm2의 범위에 있을 수 있다.
또한, 일 실시예에서, 캐소드 구조체들(112)의 집단의 서브세트는 방전 상태에서의 캐소드 구조체들의 집단의 멤버의 제2 단면 면적 C2에 대해 위에 주어진 값들과 동일할 및/또는 유사할 수 있는 방전 상태에서의 제2 중간 단면 면적 MOc2를 가질 수 있다. 예를 들어, 일 실시예에서, 캐소드 구조체들(112)의 집단의 서브세트는 적어도 1.01X102 μm2인 방전 상태에서의 충전 상태에서의 제2 중간 단면 면적 MOC2를 가질 수 있다. 추가의 예로서, 일 실시예에서 캐소드 구조체들(112)의 집단의 서브세트는 적어도 1.05X102 μm2인 방전 상태에서의 제2 중간 단면 면적 MOC2를 가질 수 있다. 추가의 예로서, 일 실시예에서 캐소드 구조체들(112)의 집단의 서브세트는 적어도 1.05X103 μm2인 방전 상태에서의 제2 중간 단면 면적 MOC2를 가질 수 있다. 추가의 예로서, 캐소드 구조체들(112)의 집단의 서브세트는 적어도 1.1X103 μm2인 방전 상태에서의 제2 중간 단면 면적 MOC2를 가질 수 있다. 추가의 예로서, 일 실시예에서 캐소드 구조체들(112)의 집단의 서브세트는 적어도 1.5X103 μm2인 방전 상태에서의 제2 중간 단면 면적 MOC2를 가질 수 있다. 일반적으로, 방전 상태에서의 캐소드 구조체들의 집단의 서브세트의 제2 중간 단면 면적 MOc2는 1.5X1010 μm2를 초과하지 않을 것이고, 예를 들어 방전 상태에서의 제2 중간 단면 면적 MOc2는 9.5X106 μm2를 초과하지 않을 수 있고, 심지어 1X106 μm2를 초과하지 않을 수 있다. 예를 들어, 방전 상태에서의 캐소드 구조체들의 집단의 서브세트의 제2 중간 단면 면적 MOC2는, 1.05X103 μm2 내지 9.5X106 μm2와 같은, 1.01X102 μm2 내지 1.5X1010 μm2의 범위에, 그리고 심지어 1.1X102 μm2 내지 1X106 μm2의 범위에 있을 수 있다.
또 다른 실시예에서, 일 실시예에서 캐소드 구조체들(112)의 집단의 서브세트는 방전 상태에서의 캐소드 구조체들의 집단의 멤버의 제2 단면 면적 C2 대 충전 상태에서의 캐소드 구조체들의 집단의 멤버의 제1 단면 면적 C1의 비율에 대해 위에 주어진 값들과 동일할 및/또는 유사할 수 있는 방전 상태에서의 제2 중간 단면 면적 MOc2 대 충전 상태에서의 제1 중간 단면 면적 MOC1의 비율을 가질 수 있다. 예를 들어, 일 실시예에서, 캐소드 구조체들의 집단의 서브세트는 적어도 1.05:1인 방전 상태에서의 제2 중간 단면 면적 MOc2 대 충전 상태에서의 제1 중간 단면 면적 MOc1의 비율을 갖는다. 추가의 예로서, 일 실시예에서 캐소드 구조체들의 집단의 서브세트는 적어도 1.1:1인 방전 상태에서의 제2 중간 단면 면적 MOc2 대 충전 상태에서의 제1 중간 단면 면적 MOc1의 비율을 갖는다. 추가의 예로서, 일 실시예에서 캐소드 구조체들의 집단의 서브세트는 적어도 1.3:1인 방전 상태에서의 제2 중간 단면 면적 MOc2 대 충전 상태에서의 제1 중간 단면 면적 MOc1의 비율을 갖는다. 추가의 예로서, 일 실시예에서 캐소드 구조체들의 집단의 서브세트는 적어도 2:1인 방전 상태에서의 제2 중간 단면 면적 MOc2 대 충전 상태에서의 제1 중간 단면 면적 MOc1의 비율을 갖는다. 추가의 예로서, 일 실시예에서 캐소드 구조체들의 집단의 서브세트는 적어도 3:1인 방전 상태에서의 제2 중간 단면 면적 MOc2 대 충전 상태에서의 제1 중간 단면 면적 MOc1의 비율을 갖는다. 추가의 예로서, 일 실시예에서 캐소드 구조체들의 집단의 서브세트는 적어도 4:1인 방전 상태에서의 제2 중간 단면 면적 MOc2 대 충전 상태에서의 제1 중간 단면 면적 MOc1의 비율을 갖는다. 추가의 예로서, 일 실시예에서 캐소드 구조체들의 집단의 서브세트는 적어도 6:1인 방전 상태에서의 제2 중간 단면 면적 MOc2 대 충전 상태에서의 제1 중간 단면 면적 MOc1의 비율을 갖는다. 일반적으로, 제2 중간 단면 면적 MOC2 대 제1 중간 단면 면적 MOC1의 비율은 약 15:1을 초과하지 않을 것이고, 심지어 10:1을 초과하지 않을 것이고, 예를 들어 8:1을 초과하지 않을 수 있다. 예를 들어, 캐소드 구조체들의 집단의 서브세트는 1.05:1 내지 6:1의 범위에 있을 수 있는 방전 상태에서의 제2 중간 단면 면적 MOc2 대 충전 상태에서의 제1 중간 단면 면적 MOc1의 비율을 갖는다. 추가의 예로서, 캐소드 구조체들의 집단의 서브세트는 1.1:1 내지 4:1의 범위에 있을 수 있는 방전 상태에서의 제2 중간 단면 면적 MOc2 대 충전 상태에서의 제1 중간 단면 면적 MOc1의 비율을 갖는다. 추가의 예로서, 캐소드 구조체들의 집단의 서브세트는 1.3:1 내지 4:1의 범위에 있을 수 있는 방전 상태에서의 제2 중간 단면 면적 MOc2 대 충전 상태에서의 제1 중간 단면 면적 MOc1의 비율을 갖는다. 또한, 일 실시예에서, 제2 중간 단면 면적 MOC2에 관련하여 제1 중간 단면 면적 MOC1의 수축은, 5% 수축 내지 75% 수축, 그리고 심지어 10% 수축 내지 70% 수축과 같은, 2% 수축 내지 90% 수축의 범위에 있을 수 있다. 즉, 제1 중간 단면 면적 MOC1은, MOC2에 관련하여, 적어도 5% 그리고 심지어 적어도 10%와 같이, MOC2에 관련하여 적어도 2%만큼 수축될 수 있지만, MOC2에 관련하여 70% 미만과 같이, MOC2에 관련하여 80% 미만 그리고 심지어 75% 미만과 같이, MOC2에 관련하여 90% 미만 수축될 수 있다.
또한, 일 실시예에서, 애노드 구조체들(110)의 집단의 서브세트는 충전 상태에서의 애노드 구조체들의 집단의 멤버의 제1 단면 면적 A1에 대해 위에 주어진 값들과 동일할 및/또는 유사할 수 있는 충전 상태에서의 제1 중간 단면 면적 MOA1을 가질 수 있다. 예를 들어, 일 실시예에서, 애노드 구조체들(110)의 집단의 서브세트는 100 초과인 충전 상태에서의 제1 중간 단면 면적 MOA1을 가질 수 있다. 추가의 예로서, 일 실시예에서 애노드 구조체들(110)의 집단의 서브세트는 적어도 100 μm2인 충전 상태에서의 제1 중간 단면 면적 MOA1을 가질 수 있다. 또 추가의 예로서, 일 실시예에서, 애노드 구조체들(110)의 집단의 서브세트는 적어도 1X103 μm2인 충전 상태에서의 제1 중간 단면 면적 MOA1을 가질 수 있다. 또 추가의 예로서, 애노드 구조체들(110)의 집단의 서브세트는 적어도 4.7X103 μm2인 충전 상태에서의 제1 중간 단면 면적 MOA1을 가질 수 있다. 추가의 예로서, 일 실시예에서 애노드 구조체들(110)의 집단의 서브세트는 적어도 6X103 μm2인 충전 상태에서의 제1 중간 단면 면적 MOA1을 가질 수 있다. 추가의 예로서, 일 실시예에서 애노드 구조체들(110)의 집단의 서브세트는 적어도 8X103 μm2인 충전 상태에서의 제1 중간 단면 면적 MOA1을 가질 수 있다. 일반적으로, 충전 상태에서의 애노드 구조체들의 집단의 서브세트의 제1 중간 단면 면적 MOA1은 1.5X107 μm2를 초과하지 않을 수 있고, 예를 들어, 충전 상태에서의 제1 중간 단면 면적 MOA1은 6.8X107 μm2를 초과하지 않을 수 있고, 심지어 5X106 μm2를 초과하지 않을 수 있다. 예를 들어, 충전 상태에서의 제1 중간 단면 면적 MOA1은, 4.7X103 μm2 내지 6.8X106 μm2와 같은, 100 μm2 내지 1.5X107 μm2의 범위에 있을 수 있고, 심지어 6X103 μm2 내지 5X106 μm2의 범위에 있을 수 있다.
또한, 일 실시예에서, 애노드 구조체들(110)의 집단의 서브세트는 방전 상태에서의 애노드 구조체들의 집단의 멤버의 제2 단면 면적 A2에 대해 위에 주어진 값들과 동일할 및/또는 유사할 수 있는 방전 상태에서의 제2 중간 단면 면적 MOA2를 가질 수 있다. 예를 들어, 일 실시예에서, 애노드 구조체들(110)의 집단의 서브세트는 3.3X107 μm2 이하인 방전 상태에서의 제2 중간 단면 면적 MOA2를 가질 수 있다. 추가의 예로서, 일 실시예에서 애노드 구조체들(110)의 집단의 서브세트는 1.5X107 μm2 이하인 방전 상태에서의 제2 중간 단면 면적 MOA2를 가질 수 있다. 추가의 예로서, 일 실시예에서 애노드 구조체들(110)의 집단의 서브세트는 7.1X106 μm2 이하인 방전 상태에서의 제2 중간 단면 면적 MOA2를 가질 수 있다. 추가의 예로서, 일 실시예에서 애노드 구조체들(110)의 집단의 서브세트는 5X106 μm2 이하인 방전 상태에서의 제2 중간 단면 면적 MOA2를 가질 수 있다. 추가의 예로서, 일 실시예에서 애노드 구조체들(110)의 집단의 서브세트는 3X106 μm2 이하인 방전 상태에서의 제2 중간 단면 면적 MOA2를 가질 수 있다. 일반적으로, 충전 상태에서의 애노드 구조체들의 집단의 서브세트의 제2 중간 단면 면적 MOA2는 적어도 1.5X103 μm2일 것이고, 예를 들어, 방전 상태에서의 제2 중간 단면 면적 MOA2는 적어도 1.6X103 μm2, 그리고 심지어 적어도 3X103 μm2일 수 있다. 예를 들어, 충전 상태에서의 애노드 구조체들의 집단의 서브세트의 제2 중간 단면 면적 MOA2)는, 1.6X103 μm2 내지 7.1X106 μm2와 같은, 500 μm2 내지 3X107 μm2의 범위에, 그리고 심지어 3X103 μm2 내지 5X106 μm2의 범위에 있을 수 있다.
또 다른 실시예에서, 애노드 구조체들(110)의 집단의 서브세트는 충전 상태에서의 애노드 구조체들의 집단의 멤버의 제1 단면 면적 A1 대 방전 상태에서의 애노드 구조체들의 멤버의 제2 단면 면적 A2의 비율에 대해 위에 주어진 값들과 동일할 및/또는 유사할 수 있는 충전 상태에서의 제1 중간 단면 면적 MOA1 대 방전 상태에서의 제2 중간 단면 면적 MOA2의 비율을 가질 수 있다. 예를 들어, 일 실시예에서, 애노드 구조체들의 집단의 서브세트는 적어도 1.01:1인 충전 상태에서의 제1 중간 단면 면적 MOA1 대 방전 상태에서의 제2 중간 단면 면적 MOA2의 비율을 갖는다. 추가의 예로서, 일 실시예에서 애노드 구조체들의 집단의 서브세트는 적어도 1.05:1인 충전 상태에서의 제1 중간 단면 면적 MOA1 대 방전 상태에서의 제2 중간 단면 면적 MOA2의 비율을 갖는다. 추가의 예로서, 일 실시예에서 애노드 구조체들의 집단의 서브세트는 적어도 1.5:1인 충전 상태에서의 제1 중간 단면 면적 MOA1 대 방전 상태에서의 제2 중간 단면 면적 MOA2의 비율을 갖는다. 추가의 예로서, 일 실시예에서 애노드 구조체들의 집단의 서브세트는 적어도 2:1인 충전 상태에서의 제1 중간 단면 면적 MOA1 대 방전 상태에서의 제2 중간 단면 면적 MOA2의 비율을 갖는다. 추가의 예로서, 일 실시예에서 애노드 구조체들의 집단의 서브세트는 적어도 3:1인 충전 상태에서의 제1 중간 단면 면적 MOA1 대 방전 상태에서의 제2 중간 단면 면적 MOA2의 비율을 갖는다. 추가의 예로서, 일 실시예에서 애노드 구조체들의 집단의 서브세트는 적어도 4:1인 충전 상태에서의 제1 중간 단면 면적 MOA1 대 방전 상태에서의 제2 중간 단면 면적 MOA2의 비율을 갖는다. 추가의 예로서, 일 실시예에서 애노드 구조체들의 집단의 서브세트는 적어도 5:1인 충전 상태에서의 제1 중간 단면 면적 MOA1 대 방전 상태에서의 제2 중간 단면 면적 MOA2의 비율을 갖는다. 예를 들어, 일 실시예에서, 애노드 구조체들의 집단의 서브세트는 1.01 내지 4:1의 범위에 있을 수 있는 충전 상태에서의 제1 중간 단면 면적 MOA1 대 방전 상태에서의 제2 중간 단면 면적 MOA2의 비율을 갖는다. 추가의 예로서, 일 실시예에서 애노드 구조체들의 집단의 서브세트는 1.01:1 내지 3:1의 범위에, 그리고 심지어 1.5:1 내지 3:1의 범위에 있을 수 있는 충전 상태에서의 제1 중간 단면 면적 MOA1 대 방전 상태에서의 제2 중간 단면 면적 MOA2의 비율을 갖는다.
또 다른 실시예에서, 2차 배터리의 충전 및/또는 방전 시에 발생할 수 있는 애노드 및/또는 캐소드 구조체 집단의 멤버의 크기에서의 변경은 애노드 및 캐소드 구조체 집단 중 하나 이상의 서브세트의 폭에서의 변경에서 반영된다. 위에 또한 유사하게 논의된 바와 같이, 애노드 구조체들의 집단의 서브세트는 2차 배터리가 충전 상태에 있을 때 제1 폭 WA1을, 그리고 2차 배터리가 방전 상태에 있을 때 제2 폭 WA2를 가질 수 있고, 캐소드 구조체들의 집단의 서브세트는 2차 배터리가 충전 상태에 있을 때 제1 폭 WC1을, 그리고 2차 배터리가 방전 상태에 있을 때 제2 폭 WC2를 가질 수 있고, 여기서 WA1은 WA2 초과이고 WC1은 WC2 미만이다. 일 실시예에서, 폭들 WA 및 WC는 직교 X-Y 평면(123)에 의한 제1 세로 평면(113)의 양분에 의해 형성되는 라인 상의 포인트들 사이의 거리를 측정하는 것에 의해 측정되고, 여기서 Y 축은 세로 방향에 평행하고, X 축은, 각각, 애노드 및 캐소드 구조체 집단들의 멤버의 길이들 LA 및 Lc의 방향에 평행하다. 예를 들어, 도 1d를 참조하면, 이러한 폭들은, 멤버의 제1 측 상의 제1 포인트(125a)로부터, 멤버의 제2 측 상의 동일한 라인 상의 제2 포인트(125b)로의, X-Y 평면(123)에 의한 세로 평면(113)의 양분으로부터 형성되는 라인을 따라 측정될 수 있다. 일 실시예에서, X-Y 평면(123)은 애노드 및/또는 캐소드 구조체 집단들의 멤버들 중 하나 이상의 높이 HA 또는 HC의 중간 지점에 위치될 수 있고, 여기서 이러한 높이는 애노드 및/또는 캐소드 구조체 집단들의 멤버들의 길이들 LA 및 LC의 방향 및 세로 방향 양자 모두에 직교하는 방향으로 측정된다. 다른 실시예에서, X-Y 평면은 캐소드 및/또는 애노드 구조체 집단들의 멤버들의 총 높이 H의 25%로부터 75%까지의 어딘가인 전극들의 높이(예를 들어, HA 및/또는 HC)를 따르는 위치에 위치된다. 대안적으로 및/또는 추가적으로, 애노드 구조체 및/또는 캐소드 구조체 집단의 멤버의 폭은 멤버의 폭 방향으로 (예를 들어, 세로 축을 따라) 측정되는 바와 같은 멤버의 페렛 직경에 대응할 수 있고, 여기서 페렛 직경은 2개의 평면들에 평행한 방향으로 측정되는 바와 같이, 폭 방향으로 멤버를 제한하는 2개의 평행한 평면들 사이의 거리이다.
따라서, 일 실시예에서, 캐소드 구조체들(112)의 집단의 서브세트는 5000 μm 이하인 충전 상태에서의 제1 폭 WC1을 갖는다. 추가의 예로서, 일 실시예에서 캐소드 구조체들의 집단의 멤버들의 서브세트는 3000 μm 이하인 충전 상태에서의 제1 폭 WC1을 갖는다. 또 추가의 예로서, 일 실시예에서 캐소드 구조체들의 집단의 멤버들의 서브세트는 1.9X103 μm 미만인 충전 상태에서의 제1 폭 WC1을 갖는다. 또 추가의 예로서, 일 실시예에서, 캐소드 구조체들의 집단의 멤버들의 서브세트는 1000 μm 이하인 충전 상태에서의 제1 폭 WC1을 갖는다. 추가의 예로서, 일 실시예에서 캐소드 구조체들의 집단의 멤버들의 서브세트는 500 μm 이하인 충전 상태에서의 제1 폭 WC1을 갖는다. 일반적으로, 충전 상태에서의 제1 폭 WC1은, 적어도 5 μm, 그리고 심지어 적어도 15 μm와 같은, 적어도 2μm일 것이다. 예를 들어, 일 실시예에서, 캐소드 구조체들의 집단의 멤버들의 서브세트는, 5 μm 내지 1900 μm, 그리고 심지어 15 μm 내지 1000 μm와 같은, 2μm 내지 5000 μm의 범위에 있을 수 있는 충전 상태에서의 제1 폭 WC1을 가질 수 있다.
일 실시예에서, 캐소드 구조체들의 집단의 멤버들의 서브세트는 적어도 5 μm인 방전 상태에서의 제2 폭 WC2를 갖는다. 추가의 예로서, 일 실시예에서 캐소드 구조체들의 집단의 멤버들의 서브세트는 적어도 10 μm인 방전 상태에서의 제2 폭 WC2를 갖는다. 추가의 예로서, 일 실시예에서 캐소드 구조체들의 집단의 멤버들의 서브세트는 적어도 20 μm인 방전 상태에서의 제2 폭 WC2를 갖는다. 추가의 예로서, 일 실시예에서 캐소드 구조체들의 집단의 멤버들의 서브세트는 적어도 50 μm인 방전 상태에서의 제2 폭 WC2를 갖는다. 추가의 예로서, 일 실시예에서 캐소드 구조체들의 집단의 멤버들의 서브세트는 적어도 100 μm인 방전 상태에서의 제2 폭 WC2를 갖는다. 일반적으로, 방전 상태에서의 제2 폭 WC2는, 2,000 μm 미만 그리고 심지어 1000 μm 미만과 같은, 5,000 μm 미만일 것이다. 예를 들어, 일 실시예에서, 캐소드 구조체들(112)의 집단의 멤버들의 서브세트는, 20 μm 내지 2,000 μm, 그리고 심지어 50 μm 내지 1000 μm와 같은, 5 μm 내지 5,000 μm의 범위에 있는 방전 상태에서의 제2 폭 WC2를 갖는다.
또 다른 실시예에서, 일 실시예에서 이러한 집단의 서브세트에 대한 방전 상태에서의 캐소드 구조체(112)의 제2 폭 WC2 대 충전 상태에서의 캐소드 구조체(112)의 제1 폭 WC1의 비율은 적어도 1.05:1이다. 추가의 예로서, 일 실시예에서 이러한 집단의 서브세트에 대한 캐소드 구조체(112)의 제2 폭 WC2 대 캐소드 구조체(112)의 제1 폭 WC1의 비율은 적어도 1.1:1이다. 추가의 예로서, 일 실시예에서 이러한 집단의 서브세트에 대한 캐소드 구조체(112)의 제2 폭 WC2 대 캐소드 구조체(112)의 제1 폭 WC2의 비율은 적어도 1.3:1이다. 추가의 예로서, 일 실시예에서 이러한 집단의 서브세트에 대한 캐소드 구조체(112)의 제2 폭 WC2 대 캐소드 구조체(112)의 제1 폭 WC2의 비율은 적어도 2:1이다. 추가의 예로서, 일 실시예에서 이러한 집단의 서브세트에 대한 캐소드 구조체(112)의 제2 폭 WC2 대 캐소드 구조체(112)의 제1 폭 WC1의 비율은 적어도 3:1이다. 추가의 예로서, 일 실시예에서 이러한 집단의 서브세트에 대한 캐소드 구조체(112)의 제2 폭 WC2 대 캐소드 구조체(112)의 제1 폭 WC1의 비율은 적어도 4:1이다. 추가의 예로서, 일 실시예에서 이러한 집단의 서브세트에 대한 캐소드 구조체(112)의 제2 폭 WC2 대 캐소드 구조체(112)의 제1 폭 WC1의 비율은 적어도 6:1이다. 일반적으로, 제2 폭 WC2 대 제1 폭 WC1의 비율은, 10:1을 초과하지 않는 것, 그리고 심지어 8:1을 초과하지 않는 것과 같이, 15:1을 초과하지 않을 것이다. 예를 들어, 일 실시예에서, 이러한 집단의 서브세트에 대한 캐소드 구조체(112)의 제2 폭 WC2 대 캐소드 구조체(112)의 제1 폭 WC1의 비율은 1.05:1 내지 15:1의 범위에 있을 수 있다. 추가의 예로서, 일 실시예에서 이러한 집단의 서브세트에 대한 캐소드 구조체(112)의 제2 폭 WC2 대 캐소드 구조체(112)의 제1 폭 WC1의 비율은 1.1:1 내지 6:1의 범위에 있을 수 있다. 추가의 예로서, 일 실시예에서 이러한 집단의 서브세트에 대한 캐소드 구조체(112)의 제2 폭 WC2 대 캐소드 구조체(112)의 제1 폭 WC1의 비율은 1.3:1 내지 4:1의 범위에 있을 수 있다. 추가의 예로서, 일 실시예에서 제2 폭 WC2에 관련하여 제1 폭 WC1의 수축은, 5% 수축 내지 75% 수축과 같은, 2% 수축 내지 90% 수축의 범위에 있을 수 있다. 즉, 제1 폭 WC1은, 제2 폭 WC2에 관련하여 적어도 5% 그리고 심지어 적어도 10%와 같은, 제2 중간 폭 WC2에 관련하여 적어도 2%만큼 수축될 수 있지만, 제2 폭 WC2에 관련하여, 80% 미만 그리고 심지어 75% 미만과 같이, 제2 폭 WC2에 관련하여 90% 미만 수축될 수 있다.
또한, 일 실시예에서, 애노드 구조체들(110)의 집단의 서브세트는 적어도 50 μm인 충전 상태에서의 제1 폭 WA1을 가질 수 있다. 추가의 예로서, 일 실시예에서 애노드 구조체들의 집단의 멤버들의 서브세트는 적어도 75 μm인 충전 상태에서의 제1 폭 WA1을 갖는다. 또 추가의 예로서, 일 실시예에서 애노드 구조체들의 집단의 멤버들의 서브세트는 적어도 90 μm인 충전 상태에서의 제1 폭 WA1을 갖는다. 또 추가의 예로서, 일 실시예에서 애노드 구조체들의 집단의 멤버들의 서브세트는 적어도 150 μm인 충전 상태에서의 제1 폭 WA1을 갖는다. 추가의 예로서, 일 실시예에서 애노드 구조체들의 집단의 멤버들의 서브세트는 적어도 200 μm인 충전 상태에서의 제1 폭 WA1를 갖는다. 일반적으로, 충전 상태에서의 제1 폭 WA1은, 1520 μm를 초과하지 않고 심지어 1000 μm를 초과하지 않는 것과 같이, 2000 μm를 초과하지 않을 것이다. 예를 들어, 일 실시예에서, 애노드 구조체들(110)의 집단의 멤버들의 서브세트는, 90 μm 내지 1520 μm, 그리고 심지어 150 μm 내지 1000 μm와 같은, 50 μm 내지 2000 μm의 범위에 있는 충전 상태에서의 제1 폭 WA1을 갖는다.
일 실시예에서, 애노드 구조체들의 집단의 멤버들의 서브세트는 2500 μm 이하인 방전 상태에서의 제2 폭 WA2를 갖는다. 추가의 예로서, 일 실시예에서 애노드 구조체들의 집단의 멤버들의 서브세트는 2000 μm 이하인 방전 상태에서의 제2 폭 WA2를 갖는다. 추가의 예로서, 일 실시예에서 애노드 구조체들의 집단의 멤버들의 서브세트는 1500 μm 이하인 방전 상태에서의 제2 폭 WA2를 갖는다. 추가의 예로서, 일 실시예에서 애노드 구조체들의 집단의 멤버들의 서브세트는 1000 μm 이하인 방전 상태에서의 제2 폭 WA2를 갖는다. 추가의 예로서, 일 실시예에서 애노드 구조체들의 집단의 멤버들의 서브세트는 800 μm 이하인 방전 상태에서의 제2 폭 WA2를 갖는다. 일반적으로, 방전 상태에서의 제2 폭 WA2는, 적어도 30 μm, 그리고 심지어 적어도 60 μm와 같은, 적어도 15 μm일 것이다. 예를 들어, 일 실시예에서, 애노드 구조체들(110)의 집단의 멤버들의 서브세트는, 30 μm 내지 1500 μm, 그리고 심지어 60 μm 내지 1000 μm의 범위와 같은, 15 μm 내지 2500 μm의 범위에 있는 방전 상태에서의 제2 폭 WA2를 갖는다.
또 다른 실시예에서, 이러한 집단의 서브세트에 대한 충전 상태에서의 애노드 구조체(110)의 제1 폭 WA1 대 방전 상태에서의 애노드 구조체(110)의 제2 폭 WA2의 비율은 적어도 1.01:1이다. 추가의 예로서, 일 실시예에서 이러한 집단의 서브세트에 대한 충전 상태에서의 애노드 구조체(110)의 제1 폭 WA1 대 방전 상태에서의 애노드 구조체(110)의 제2 폭 WA2의 비율은 적어도 1.05:1이다. 추가의 예로서, 일 실시예에서 이러한 집단의 서브세트에 대한 충전 상태에서의 애노드 구조체(110)의 제1 폭 WA1 대 방전 상태에서의 애노드 구조체(110)의 제2 폭 WA2의 비율은 적어도 1.5:1이다. 추가의 예로서, 일 실시예에서 이러한 집단의 서브세트에 대한 충전 상태에서의 애노드 구조체(110)의 제1 폭 WA1 대 방전 상태에서의 애노드 구조체(110)의 제2 폭 WA2의 비율은 적어도 2:1이다. 추가의 예로서, 일 실시예에서 이러한 집단의 서브세트에 대한 충전 상태에서의 애노드 구조체(110)의 제1 폭 WA1 대 방전 상태에서의 애노드 구조체(110)의 제2 폭 WA2의 비율은 적어도 3:1이다. 추가의 예로서, 일 실시예에서 이러한 집단의 서브세트에 대한 충전 상태에서의 애노드 구조체(110)의 제1 폭 WA1 대 방전 상태에서의 애노드 구조체(110)의 제2 폭 WA2의 비율은 적어도 4:1이다. 추가의 예로서, 일 실시예에서 이러한 집단의 서브세트에 대한 충전 상태에서의 애노드 구조체(110)의 제1 폭 WA1 대 방전 상태에서의 애노드 구조체(110)의 제2 폭 WA2의 비율은 적어도 5:1이다. 예를 들어, 일 실시예에서 이러한 집단의 서브세트에 대한 충전 상태에서의 애노드 구조체(110)의 제1 폭 WA1 대 방전 상태에서의 애노드 구조체(110)의 제2 폭 WA2의 비율은 1.0:1 내지 5:1의 범위에 있을 수 있다. 추가의 예로서, 일 실시예에서 이러한 집단의 서브세트에 대한 충전 상태에서의 애노드 구조체(110)의 제1 폭 WA1 대 방전 상태에서의 애노드 구조체(110)의 제2 폭 WA2의 비율은 1.01:1 내지 4:1의 범위에 있을 수 있다. 추가의 예로서, 일 실시예에서 이러한 집단의 서브세트에 대한 충전 상태에서의 애노드 구조체(110)의 제1 폭 WA1 대 방전 상태에서의 애노드 구조체(110)의 제2 폭 WA2의 비율은 1.01:1 내지 3:1의 범위에 있을 수 있고, 심지어 1.5:1 내지 3:1의 범위에 있을 수 있다.
일 실시예에서, 위에 설명된 것들과 같은, 충전 및 방전 상태들에서의 애노드 구조체들(110) 및 캐소드 구조체들(112)의 집단의 멤버들에 대한 크기들(예를 들어, 치수들 및 단면 면적들)은 2차 배터리(102)에 대한 초기 형성 스테이지가 이미 수행된 이후 수행되는 충전 및/또는 방전 단계들에서 달성되는 것들이다. 즉, 전극 어셈블리(106)를 갖는 2차 배터리(102)의 제조에서, 2차 배터리(102)의 적어도 하나의 초기 충전 사이클을 포함하는 초기 형성 스테이지가 수행될 수 있으며, 이는 2차 배터리(102)의 구성엘리먼트들 사이의 접촉 및 원하는 구조체의 형성을 촉진하기 위해, 전류, 온도 및 지속기간 중 하나 이상을 포함하는 신중히 제어된 조건들 하에서 수행될 수 있다. 초기 형성 스테이지는, 특정 배터리 구조체 및 조성물에 따라, 단일의 초기 충전 사이클만을 포함할 수 있거나, 또는 복수의 충전 사이클들을 포함할 수 있고, 이는 2차 배터리(102)를 자신의 전체 전력 및/또는 용량으로 가져가는 제조에서의 최종 스테이지로서 수행될 수 있다. 일 실시예에 따르면, 이하 추가로 상세히 논의되는 바와 같이, 2차 배터리(102)가 충전 및/또는 방전됨에 따라, 애노드 및/또는 캐소드 구조체들의 하나 이상의 치수가 초기 형성 스테이지 동안 또한 변경될 수 있다. 따라서, 일 실시예에서, 본 명세서에 지칭되는 캐소드 및 애노드 구조체들(110,112)의 치수들은 물론, 그 내에서의 변경들은, 초기 형성 스테이지에 후속하는 2차 배터리의 충전 및/또는 방전 동안 발생하는 것들이다. 그러나, 다른 실시예에서는, 본 명세서에 지칭되는 치수들은 물론, 그 내에서의 변경들은, 초기 형성 스테이지의 부분으로서 발생하는 것들에 또한 대응할 수 있다.
일 실시예에서, 캐소드 구조체들(110)의 집단의 멤버들은 다공성 구조체를 갖는 캐소드 활성 재료 층(138)을 포함하고, 여기서 캐소드 활성 재료 층(138)의 다공률은 2차 배터리(102)의 충전/방전 시에 캐소드 구조체들(112)의 팽창/수축에 따라 변경될 수 있다. 예를 들어, 도 3을 참조하면, 캐소드 구조체들(112)의 집단의 멤버들은 재료의 다공성 매트릭스(204) 내에 분포되는 캐소드 활성 재료(202)를 갖는 캐소드 활성 재료 층(138)을 포함할 수 있고, 이러한 다공성 매트릭스(204)는 내부에 형성되는 공극들(200) 및/또는 간극들을 포함한다. 도 3에 도시되는 바와 같은 실시예에서, 캐소드 활성 재료 층(138)은 다공성 매트릭스(204)에 분산되는 캐소드 활성 재료의 입자들(202)을 포함한다. 캐소드 활성 재료 층(138)은 다공성 매트릭스(204)에 유사하게 분산되는 필러 입자들(206)을 또한 선택적으로 포함할 수 있다. 도시되는 바와 같은 실시예에서, 다공성 매트릭스는 비교적 고 다공성이고, 캐소드 활성 재료의 입자들(202) 및/또는 필러 재료의 입자들(206)을 접속하는 매트릭스 재료의 웹들 및/또는 스트랜드들을 포함하고, 공극들(200) 및/또는 간극들이 매트릭스 재료의 인접하는 웹들 및/또는 스트랜드들 사이에 형성된다. 따라서, 다공성 매트릭스(204)는, 일 실시예에서, 캐소드 활성 재료의 입자들을 함께 결합하여 캐소드 활성 재료 층(138)을 형성하는 결합제로서 작용하는 것으로 이해될 수 있다. 다른 실시예에서, 다공성 매트릭스(204)는 입자들(202)을 적어도 부분적으로 갖고 심지어 전체적으로 내부에 매립되는 매트릭스 재료의 더 두꺼운 섹션들을 또한 및/또는 대안적으로 포함할 수 있고, 공극들은 비교적 두꺼운 매트릭스 재료 섹션들에 형성된다. 특정 실시예들에서, 매트릭스 재료에서의 공극들(202) 및/또는 간극들의 체적 및/또는 수에 관련될 수 있고, 2차 배터리(102)의 충전/방전 상태에 따라 달라질 수 있는, 매트릭스(204)의 다공률(즉, 공극률)은, 이하 보다 상세히 논의되는 바와 같이, 캐소드 활성 재료 층(138)의 성능을 제공하도록 또한 선택될 수 있다.
일 실시예에 따르면, 캐소드 구조체들(112)의 집단의 멤버들의 압축 및/또는 팽창은, 공극들 및/또는 간극들(200)이 캐소드 구조체들(112)의 집단의 멤버들의 팽창 시에 크기 및/또는 수에서 증가하고, 캐소드 구조체들(112)의 집단의 멤버들의 압축 시에 크기 및/또는 수에서 감소하도록, 캐소드 활성 재료 층(138)의 압축 및/또는 팽창을 초래할 수 있다. 즉, 충전 상태와 방전 상태 사이의 2차 배터리(102)의 사이클링 동안의 캐소드 구조체들(112)의 집단의 멤버들의 압축 및/또는 팽창은 캐소드 활성 재료 층(138)의 다공률에서의 변경을 초래한다. 도 4a 및 도 4b에 도시되는 실시예에서, 캐소드 구조체들(112)의 집단의 멤버들은 도 4a에서의 폭이 WC1인 충전 상태, 및 도 4b에서의 폭이 WC2 인 방전 상태에 있는 것으로서 묘사되고, 여기서 폭 WC2는 폭 WC1 초과이다. 유사하게, 캐소드 구조체들(112)의 집단의 멤버들의 단면 면적 C2는 도 4a에 묘사되는 충전 상태에서의 단면 면적 C1보다 도 4b에 묘사되는 방전 상태에서 더 크다. 즉, 캐소드 구조체들(112)의 집단의 멤버들은, 예를 들어, 각각, 2차 배터리(102)의 충전 상태 및 방전 상태에 대응하여, 도 4a에서의 보다 압축된 상태, 및 도 4b에서의 보다 팽창된 상태에 있는 것으로서 묘사된다. 도 4a 및 도 4b는 애노드 활성 재료 층(132), 애노드 전류 콜렉터(136), 및 애노드 백본(134)을 갖는 애노드 구조체(110), 애노드 구조체 집단 멤버들(110)과 캐소드 구조체 집단 멤버들(112) 사이의 분리기들(130), 및 캐소드 백본(141) 및 캐소드 전류 콜렉터들(140)을 갖는 캐소드 구조체들(112)를 추가로 묘사한다는 점이 주목된다. 그러나, 애노드 및 캐소드 구조체들(110,112)을 갖는 전극 어셈블리(106)가 이에 제한되는 것은 아니고, 애노드 및 캐소드 구조체들의 컴포넌트들의 다른 구조체들 및/또는 배열들이 또한 제공될 수 있다는 점이 이해되어야 한다. 도 4a 내지 도 4b에 도시되는 실시예들에 의해 알 수 있는 바와 같이, 도 4a에 묘사되는 바와 같은 충전 상태로부터 도 4b에 묘사되는 바와 같은 방전 상태로의 캐소드 구조체들(112)의 집단의 멤버들의 팽창은, 캐소드 활성 재료 층(138)이 방전 상태의 증가된 체적에 따라 팽창함에 따라, 공극들 및/또는 간극들(200)의 크기 및/또는 수에서의 증가를 초래할 수 있다. 반대로, 도 4b에 묘사되는 바와 같은 방전 상태로부터 도 4a에 묘사되는 바와 같은 충전 상태로의 캐소드 구조체들(112)의 집단의 멤버들의 수축은, 캐소드 활성 재료 층(138)이 충전 상태의 더 작은 체적으로 압축됨에 따라, 캐소드 활성 재료 층(138)의 압축 및 공극들 및/또는 간극들의 적어도 부분적인 채움을 초래한다.
따라서, 일 실시예에서, 캐소드 구조체들(112)의 집단의 멤버들은 2차 배터리(102)가 충전 상태에 있을 때 제1 다공률이 P1이고, 2차 배터리(102)가 방전 상태에 있을 때 제2 다공률이 P2인 캐소드 활성 재료 층(138)을 갖고, 제1 다공률은 제2 다공률 미만이다. 예를 들어, 일 실시예에서, 제1 다공률은 30% 미만일 수 있다. 추가의 예로서, 일 실시예에서, 제1 다공률은 20% 미만일 수 있다. 추가의 예로서, 일 실시예에서, 제1 다공률은 10% 미만일 수 있다. 추가의 예로서, 일 실시예에서, 제1 다공률은 5% 미만일 수 있다. 예를 들어, 일 실시예에서, 제1 다공률은 1% 내지 30%의 범위에 있을 수 있다. 추가의 예로서, 일 실시예에서, 제1 다공률은 2% 내지 20%의 범위에 있을 수 있다. 추가의 예로서, 일 실시예에서, 제1 다공률은 5% 내지 10%의 범위에 있을 수 있다. 또한, 일 실시예에서, 방전에서의 제2 다공률은 적어도 50%일 수 있다. 예를 들어, 일 실시예에서, 제2 다공률은 적어도 60%일 수 있다. 추가의 예로서, 일 실시예에서, 제2 다공률은 적어도 70%일 수 있다. 추가의 예로서, 일 실시예에서, 제2 다공률은 적어도 75%일 수 있다. 예를 들어, 일 실시예에서, 제2 다공률은 50% 내지 90%의 범위에 있을 수 있다. 추가의 예로서, 일 실시예에서, 제2 다공률은 60% 내지 80%의 범위에 있을 수 있다. 추가의 예로서, 일 실시예에서, 제2 다공률은 70% 내지 75%의 범위에 있을 수 있다. 캐소드 활성 재료 층(138)의 다공률은 캐소드 활성 재료 층(138)에서의 캐소드 활성 재료(202) 사이의 공극들 및/또는 간극들(200)의 체적 대 캐소드 활성 재료 층(138)의 전체 질량에 의해 취해지는 체적의 비율이다.
또 다른 실시예에서, 방전 상태에서의 캐소드 활성 재료 층(138)의 다공률 P2 대 충전 상태에서의 캐소드 활성 재료 층(138)의 다공률 P1의 비율은 적어도 1.1:1이다. 추가의 예로서, 일 실시예에서, 방전 상태에서의 캐소드 활성 재료 층(138)의 다공률 P2 대 충전 상태에서의 캐소드 활성 재료 층(138)의 다공률 P1의 비율은 적어도 1.5:1이다. 추가의 예로서, 일 실시예에서, 방전 상태에서의 캐소드 활성 재료 층(138)의 다공률 P2 대 충전 상태에서의 캐소드 활성 재료 층(138)의 다공률 P1의 비율은 적어도 2:1이다. 추가의 예로서, 일 실시예에서, 방전 상태에서의 캐소드 활성 재료 층(138)의 다공률 P2 대 충전 상태에서의 캐소드 활성 재료 층(138)의 다공률 P1의 비율은 적어도 5:1이다. 추가의 예로서, 일 실시예에서, 방전 상태에서의 캐소드 활성 재료 층(138)의 다공률 P2 대 충전 상태에서의 캐소드 활성 재료 층(138)의 다공률 P1의 비율은 적어도 10:1이다. 추가의 예로서, 일 실시예에서, 방전 상태에서의 캐소드 활성 재료 층(138)의 다공률 P2 대 충전 상태에서의 캐소드 활성 재료 층(138)의 다공률 P1의 비율은 적어도 15:1이다. 예를 들어, 일 실시예에서, 방전 상태에서의 캐소드 활성 재료 층(138)의 다공률 P2 대 충전 상태에서의 캐소드 활성 재료 층(138)의 다공률 P1의 비율은 2:1 내지 30:1의 범위에 있다. 예를 들어, 일 실시예에서, 방전 상태에서의 캐소드 활성 재료 층(138)의 다공률 P2 대 충전 상태에서의 캐소드 활성 재료 층(138)의 다공률 P1의 비율은 3:1 내지 20:1의 범위에 있다. 추가의 예로서, 일 실시예에서, 방전 상태에서의 캐소드 활성 재료 층(138)의 다공률 P2 대 충전 상태에서의 캐소드 활성 재료 층(138)의 다공률 P1의 비율은 5:1 내지 15:1의 범위에 있다.
일 실시예에서, 캐소드 활성 재료 층(138)은 입자들(202)의 형태로 캐소드 활성 재료를 포함한다. 예를 들어, 일 실시예에서, 캐소드 활성 재료는 전이 금속 산화물들, 전이 금속 황화물들, 전이 금속 질화물들, 리튬-전이 금속 산화물들, 리튬-전이 금속 황화물들, 및 리튬-전이 금속 질화물들 중 적어도 하나의 입자들(202)을 포함하고, 선택적으로 사용될 수 있다. 이러한 전이 금속 산화물들, 전이 금속 황화물들, 및 전이 금속 질화물들의 전이 금속 원소들은 d-껍질 또는 f-껍질을 갖는 금속 원소들을 포함할 수 있다. 이러한 금속 원소의 구체적인 예들은 Sc, Y, 란타노이드들(lanthanoids), 악티노이드들(actinoids), Ti, Zr, Hf, V, Nb, Ta, Cr, Mo, W, Mn, Tc, Re, Fe, Ru, Os, Co, Rh, Ir, Ni, Pb, Pt, Cu, Ag, 및 Au이다. 추가적인 캐소드 활성 재료들은 LiCoO2, LiNi0.5Mn1.5O4, Li(NixCoyAl2)O2, LiFePO4, Li2MnO4, V2O5, 몰리브덴 옥시설파이드들, 포스페이트들, 실리케이트들, 바나데이트들 및 이들의 조합들을 포함한다. 일 실시예에서, 캐소드 활성 재료 층(138)은 캐소드 활성 재료(202)의 적어도 40 중량 %를 포함한다. 예를 들어, 일 실시예에서, 캐소드 활성 재료 층(138)은 캐소드 활성 재료의 적어도 50 중량 %를 포함한다. 추가의 예로서, 일 실시예에서, 캐소드 활성 재료 층(138)은 캐소드 활성 재료의 적어도 60 중량 %를 포함한다. 예를 들어, 캐소드 활성 재료 층(138)은 40% 내지 99%의 범위에 있는 캐소드 활성 재료의 중량 백분율을 포함할 수 있다. 예를 들어, 일 실시예에서, 캐소드 활성 재료 층(138)에서의 캐소드 활성 재료의 중량 백분율은 50% 내지 99%의 범위에 있을 수 있다. 또한, 일 실시예에서, 캐소드 활성 재료 층(138)은 적어도 하나의 필러 재료를 포함하고, 이는 또한 입자들의 형태일 수 있다. 예를 들어, 캐소드 활성 재료 층(138)은, 탄소 블랙과 같은 탄소-함유 재료, 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 폴리비닐리덴 불화물, 폴리테트라플루오로에틸렌, 폴리아크릴 산, 카르복시메틸 셀룰로오스, 폴리비닐알콜, 전분, 재생 셀룰로오스, 다이아세틸 셀룰로오스, 하이드록시프로필 셀룰로오스, 폴리비닐 염화물, 폴리비닐 피롤리돈, 폴리부타디엔, 폴리에틸렌 산화물, 폴리아크릴레이트들 중 하나 이상으로부터 형성되는 비드들과 같은 폴리머-함유 비드들, 고무들, 예를 들어, EPDM(ethylene-propylene-diene monomer) 고무, 술폰화된 EPDM, 플루오르화 고무들, SBR(styrene butadiene rubber), PAN(polyacrylonitrile), PMMA(polymethyl methacrylate), PAA(polyacrylic acid), PEX, XLPE(cross-linked polyethylene), PE(polyethylene), PET(polyethylene terephthalate), PPE(polyphenyl ether), PVC(polyvinyl chloride), PVDC(polyvinylidene chloride), PA(polyamide), PI(polyimide), PC(polycarbonate), PTFE(polytetrafluoroethylene), PS(polystyrene), PU(polyurethane), PE(polyester), ABS(acrylonitrile butadiene styrene), POM(polyoxymethylene), PES(polysulfone), SAN(styrene-acrylonitrile), EVA(ethylene vinyl acetate), SMA(styrene maleic anhydride), 이들의 조합들, 및 1E-5 GPa와 10 GPa 사이의 탄성 계수를 갖고 배터리에서 불활성인 다른 불활성 폴리머들 중 적어도 하나를 포함하는 필러 입자들을 포함할 수 있다. 특히, 이러한 재료들의 농도들 및 입자 크기들은 캐소드 구조체의 미리 결정된 압축률을 달성하기 위해 속성들의 엔지니어링 설계에 의해 선택될 수 있다. 예를 들어, 일 실시예에서, 비교적 높은 압축률을 갖는 캐소드 활성 재료 층이 있는 캐소드 구조체를 획득하기 위해, 비교적 낮은 탄성 계수(영의 계수(Young's Modulus))가 있는 폴리머들이 캐소드 활성 재료 층에서 비교적 높은 농도들로 제공될 수 있다. 필러 및/또는 캐소드 활성 재료의 입자들은, 예를 들어 도 3에 도시되는 바와 같이, 매트릭스 재료에 분산될 수 있다.
일 실시예에서, 캐소드 활성 재료(202)는 0.1μm 내지 500 μm의 범위에 있는 평균 입자 크기를 갖는 입자들(예를 들어, 캐소드 활성 재료 입자들 및 필러 입자들 중 하나 이상)를 포함한다. 추가의 예로서, 일 실시예에서, 캐소드 활성 재료(202)는 0.15 μm 내지 300 μm의 범위에 있는 중량 평균 입자 크기를 갖는 입자들을 포함한다. 추가의 예로서, 일 실시예에서, 캐소드 활성 재료(202)는 0.2μm 내지 200 μm의 범위에 있는 평균 입자 크기를 갖는 입자들을 포함한다.
일 실시예에서, 캐소드 활성 재료 층(138)은 캐소드 활성 재료 층의 0.05 중량 % 내지 20 중량 %의 범위에 있는 필러 재료를 포함한다. 추가의 예로서, 일 실시예에서, 캐소드 활성 재료 층(138)은 0.1 중량 % 내지 10 중량 %의 범위에 있는 필러 재료를 포함한다. 추가의 예로서, 일 실시예에서, 캐소드 활성 재료 층(138)은 0.5 중량 % 내지 5 중량 %의 범위에 있는 필러 재료를 포함한다.
또 다른 실시예에서, 캐소드 활성 재료 층(138)에서의 캐소드 활성 재료 대 필러 재료의 중량 비율은 1.5:1 내지 30:1의 범위에 있다. 또 다른 실시예에서, 캐소드 활성 재료 층(138)에서의 캐소드 활성 재료 대 필러의 중량 비율은 2:1 내지 20:1의 범위에 있다. 또 다른 실시예에서, 캐소드 활성 재료 층(138)에서의 캐소드 활성 재료 대 필러의 중량 비율은 3:1 내지 15:1의 범위에 있다.
일 실시예에 따르면, 캐소드 활성 재료 층(138)은 폴리머 재료의 매트릭스에 분산되는 캐소드 활성 재료의 입자들 및/또는 필러 입자들을 포함한다. 일 실시예에서, 캐소드 활성 재료의 입자들은 폴리머 재료의 매트릭스 전반적으로 실질적으로 균일하게 분산될 수 있다. 대안적으로, 다른 실시예에서, 캐소드 활성 재료의 입자들은, 캐소드 활성 재료 층(138) 전반적으로 캐소드 활성 재료의 변화도를 제공하기 위해서와 같이, 폴리머 재료의 매트릭스 전반적으로 불균일하게 분포될 수 있고, 캐소드 활성 재료 층의 다른 측 상에서보다 캐소드 활성 재료 층(138)의 하나의 측 상에서 입자들의 농도가 더 높다. 일 실시예에서, 폴리머 재료는 비닐리덴 플루오르화물, 헥사플루오로프로필렌, 테트라플루오로프로펜 등 중 적어도 하나를 포함하는 단량체들로부터 도출되는 플루오로폴리머를 포함할 수 있다. 다른 실시예에서, 폴리머 재료는, 임의의 범위의 변화하는 분자량들 및 밀도들을 갖는, 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 또는 폴리부텐 중 적어도 하나와 같은 폴리올레핀일 수 있다. 다른 실시예에서, 폴리머 재료는 에틸렌-디엔-프로펜 3량체(ethylene-diene-propene terpolymer), 폴리스티렌, 폴리메틸 메타크릴레이트, 폴리에틸렌 글리콜, 폴리비닐 아세테이트, 폴리비닐 부티랄, 폴리아세탈, 및 폴리에틸렌글리콜 디아크릴레이트로 구성되는 그룹으로부터 선택된다. 다른 실시예에서, 폴리머 재료는 메틸 셀룰로오스, 카르복시메틸 셀룰로오스, 스티렌 고무(styrene rubber), 부타디엔 고무, 스티렌-부타디엔 고무, 이소프렌 고무, 폴리아크릴아미드, 폴리비닐 에테르, 폴리아크릴 산, 폴리메타크릴 산, 및 폴리에틸렌 산화물로 구성되는 그룹으로부터 선택된다. 다른 실시예에서, 폴리머 재료는 아크릴레이트들, 스티렌들, 에폭시들, 및 실리콘들로 구성되는 그룹으로부터 선택된다. 또 다른 실시예에서, 폴리머 재료는 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 폴리비닐리덴 플루오르화물, 폴리테트라플루오로에틸렌, 폴리아크릴 산, 카르복시메틸 셀룰로오스, 폴리비닐알콜, 전분, 재생 셀룰로오스, 디아세틸 셀룰로오스, 하이드록시프로필 셀룰로오스, 폴리비닐 염화물, 폴리비닐 피롤리돈, 폴리부타디엔, 폴리에틸렌 산화물, 폴리아크릴레이트들, 고무들, 예를 들어, EPDM(ethylene-propylene-diene monomer) 고무, 술폰화된 EPDM, 플루오르화 고무들, SBR(styrene butadiene rubber), PAN(polyacrylonitrile), PMMA(polymethyl methacrylate), PAA(polyacrylic acid), PEX, XLPE(cross-linked polyethylene), PE(polyethylene), PET(polyethylene terephthalate), PPE(polyphenyl ether), PVC(polyvinyl chloride), PVDC(polyvinylidene chloride), PA(polyamide), PI(polyimide), PC(polycarbonate), PTFE(polytetrafluoroethylene), PS(polystyrene), PU(polyurethane), PE(polyester), ABS(acrylonitrile butadiene styrene), POM(polyoxymethylene), PES(polysulfone), SAN(styrene-acrylonitrile), EVA(ethylene vinyl acetate), SMA(styrene maleic anhydride), 이들의 조합들, 및 1E-5 GPa와 10 GPa 사이의 탄성 계수를 갖고 배터리에서 불활성인 다른 불활성 폴리머들 중 하나 이상을 포함할 수 있다. 특히, 위 필러 입자들과 유사하게, 이러한 재료들의 농도들은 캐소드 구조체의 미리 결정된 압축률을 달성하기 위해 속성들의 엔지니어링 설계에 의해 선택될 수 있다. 예를 들어, 일 실시예에서, 비교적 높은 압축률을 갖는 캐소드 활성 재료 층이 있는 캐소드 구조체를 획득하기 위해, 탄성 계수(영의 계수(Young's Modulus))가 비교적 낮은 폴리머들이 캐소드 활성 재료 층에서 비교적 높은 농도들로 제공될 수 있다. 다른 실시예에서, 폴리머 재료는 전술한 폴리머들 중 2개 이상의 코폴리머(copolymer) 또는 블렌드(blend)이다.
일 실시예에서, 캐소드 구조체(112)의 집단의 멤버들은 2차 배터리에서의 충전/방전 사이클들 동안 양호한 성능을 부여하는 압축률을 갖는다. 예를 들어, 일 실시예에서, 집단 캐소드 구조체들(112)의 하나 이상의 멤버는, (Dimension1-Dimension2)/(Dimension1) X 100에 의해 정의되는 바와 같은, 압축을 나타낼 수 있고, 여기서 Dimension1은, 방전 상태에서의 (폭 또는 단면과 같은) 캐소드 구조체들의 치수이고, Dimension2는 적어도 0.7 MPa (100 psi)의 압력에서 적어도 5%의, 충전 상태에서의 캐소드 구조체의 치수이다. 추가의 예로서, 캐소드 구조체의 집단의 하나 이상의 멤버는 0.7 MPa (100 psi)의 압력에서 적어도 10%의 압축을 나타낼 수 있다. 추가의 예로서, 캐소드 구조체들의 집단의 하나 이상의 멤버는 0.7 MPa (100 psi)의 압력에서 적어도 25%의 압축을 나타낼 수 있다. 추가의 예로서, 캐소드 구조체들의 집단의 하나 이상의 멤버는 70MPa (10,000 psi)의 압력에서 적어도 5%의 압축을 나타낼 수 있다. 추가의 예로서, 캐소드 구조체들의 집단의 하나 이상의 멤버는 70MPa (10,000 psi)의 압력에서 적어도 10%의 압축을 나타낼 수 있다. 예를 들어, 일 실시예에서, 캐소드 구조체들(112)의 집단의 하나 이상의 멤버는 0.7 MPa (100 psi)의 압력에서 5% 내지 75%의 범위에 있는 압축을 나타낼 수 있다. 추가의 예로서, 일 실시예에서, 캐소드 구조체들(112)의 집단의 하나 이상의 멤버는 70MPa (10,000 psi)의 압력에서 0.5% 내지 75%의 범위에 있는 압축을 나타낼 수 있다. 추가의 예로서, 일 실시예에서, 캐소드 구조체들(112)의 집단의 하나 이상의 멤버는 0.7 MPa (100 psi)의 압력에서 20% 내지 50%의 범위에 있는 압축을 나타낼 수 있다. 추가의 예로서, 일 실시예에서, 캐소드 구조체들(112)의 집단의 하나 이상의 멤버는 70MPa (10,000 psi)의 압력에서 20% 내지 50%의 범위에 있는 압축을 나타낼 수 있다.
일 실시예에서, 캐소드 구조체들(112)의 집단의 멤버들은 압축 가능하고도 탄성적인 필러 입자들이 있는 캐소드 활성 재료 층(138)을 갖는다. 즉, 필러 입자들은, 캐소드 구조체의 압축으로 압축될 수 있는, 그리고 입자들이 압축 이전에 그들의 형상을 적어도 부분적으로 복구하는 것을 허용하는 탄성을 갖는, 폴리머 비드들 또는 다른 재료들과 같은 입자들을 포함할 수 있다. 일 실시예에서, 미리 결정된 레벨의 탄성을 갖는 필러 입자들은, 2차 배터리의 충전 동안 캐소드 구조체들의 압축을 과도하게 억제하지 않고, 2차 배터리의 방전 동안 캐소드 구조체들의 팽창을 용이하게 하는 것을 도울 수 있다. 필러 입자들은, 0.1 내지 4.1 GPa, 그리고 심지어 2.5 GPa 내지 10 Gpa와 같은, 0.1 GPa 내지 10 Gpa의 범위에 있는 영의 계수(Young's Modulus)에 따라 측정되는 바와 같은 탄성을 또한 포함할 수 있다.
일 실시예에서, 캐소드 구조체들(112)의 집단의 멤버들은 압축 불가능이고 다공성인 필러 입자들이 있는 캐소드 활성 재료 층(138)을 갖는다. 필러 입자들은, 중공 마이크로-구들, 마이크로-섬유들, 마이크로-튜브들, 마이크로-실린더들, 마이크로-골격들, 및 배터리에서 호환 가능한 다른 마이크로스코픽 및 나노스코픽 객체 형상들 및 크기들과 같은 구조체들을 포함할 수 있다. 다공성 필러 입자들은 예를 들어 다공성 세라믹 재료, 또는 다공성 내부를 또한 제공하면서, 압축에 저항하는 하드 세라믹 셀을 갖는 다공성 재료와 같은 압축 불가능 재료를 포함할 수 있다. 이러한 다공성, 압축 불가능 입자들은 전극의 매트릭스에서 전해질 저장소들로서 사용될 수 있다. 전극이 자신의 압축된 형태로 있을 때, 이러한 입자들의 다공률에 저장되는 전해질은 매트릭스 전극의 이온 저항을 감소하는 쪽으로 작용할 수 있다.
일 양태에 따르면, 전해질 저장소들로서 작용하는 필러 재료들은 세라믹들, 폴리머들, 금속들, 금속 산화물들, 또는 다른 호환 가능 재료들로 이루어질 수 있다. 필러 입자들의 수량, 크기, 형상 및 재료 속성들은 동작 동안 배터리에 의해 생성되는 특정 용도 및 압력에 맞추어질 수 있다.
일 실시예에서, 필러 재료의 압축률 및 다공률은 동작 동안 배터리에 의해 생성되는 압력들 및 인가에 맞추어질 수 있다. 하나의 사례에서, 필러 입자들은 동작 동안 배터리에 의해 인가되는 압력 하에서 압축 불가능하고, 필러 입자들 내부에 저장되는 전해질은 충전 및 방전 동안 체적에 있어서 눈에 띄게 변경되지 않는다. 다른 실시예들에서, 필러 재료는 전극 매트릭스보다 덜 압축 가능하므로, 심지어 필러 입자에서의 전해질 체적이 비압축 상태에서보다 압축 상태에서 더 낮더라도, 이것은 매트릭스에서의 전해질 체적 초과이고, 그렇게 함으로써 이온 도전율을 제공한다.
전해질 저장소로서 사용하도록 설계되는 필러 재료의 다공률은 배터리 동작 동안 입자에서의 전해질의 수량을 최대화하기 위해 바람직하게는 높다. 바람직하게는, 다공률은 필러 재료에 대한 체적에 의해, 70% 초과, 80% 초과, 그리고 심지어 90% 초과와 같은, 60% 초과일 수 있다. 일 양태에 따르면, 필러 재료의 공극 크기들은 일반적으로, 이온 수송을 용이하게 하기 위해, 10 nm 초과, 그리고 심지어 50 nm 초과와 같은, 5nm 초과일 수 있다.
전해질 저장소를 구성하는데 사용되는 필러 재료들은, 일 실시예에서, 50 GPa 초과, 그리고 심지어 100 GPa 초과와 같은, 10 GPa 초과의 영의 계수(Young's modulus)에 따른 탄성을 갖는 재료들로 이루어질 수 있다.
일 실시예에서, 서로 역 관계와 같은, 팽창 및/또는 수축할 수 있는 애노드 및 캐소드 구조체 집단(110,112)의 멤버들을 갖는 2차 배터리(102)는 2차 배터리의 비교적 높은 면적 용량 및/또는 에너지 밀도, 및 (예를 들어, 레이트 능력에 의해 측정되는 바와 같은) 비교적 높은 비율의 방전 양자 모두를 동시에 전하는 관점에서 상승적 효과들을 제공할 수 있을 수 있다. 예를 들어, 2차 배터리(102)는 특정 양태들에서 이들의 압축 하에서 캐소드 구조체(110)의 다공률을 보존할 수 있다. 임의의 하나의 특정 이론에 제한되지 않고, 2차 배터리(102)의 방전/충전 시에 캐소드 구조체들(112)의 집단의 멤버들의 팽창/수축은, 2차 배터리의 방전이 발생할 수 있는 레이트를 희생하지 않고, 비교적 높은 면적 용량을 제공하는 캐소드 구조체들(112)이 사용되는 것을 허용한다고 신뢰된다. 명료화로서, 2차 배터리(102)의 면적 용량은 제공될 수 있는 단위 기하학적 면적 당 비교적 큰 캐소드 체적(즉, 캐소드 활성 재료 체적)에 관련될 수 있다는 점이 주목된다. 일반적으로, 단위 기하학적 면적 당 캐소드의 비교적 더 큰 체적은 비교적 더 큰 면적 용량을 초래할 것이다. 그러나, 세로 방향으로 비교적 큰 두께를 갖는 것들과 같은, 비교적 큰 체적을 갖는 캐소드들이 있는 배터리들은, 캐소드 표면에서 반대로 캐소드의 내부에 존재하는 더 많은 수량의 캐소드 활성 재료로 인해, 더 얇은 캐소드들에 비해 방전에서의 감소를 또한 경험할 수 있다. 그러나, 임의의 이론에 의해 제한되지 않고, 캐소드 구조체들(112)의 팽창/수축, 및 이러한 팽창/수축으로 발생하는 캐소드 활성 재료 층들(138)의 다공률에서의 변경은, 비교적 큰 체적을 갖는 캐소드 구조체(112)로 달리 관찰될 수 있는 임의의 감소를 적어도 부분적으로 보상하는 방전의 레이트를 허용할 수 있다고 신뢰된다. 즉, 방전 동안 캐소드의 팽창 및 캐소드에서의 증가된 다공률은, 심지어 캐소드의 더 많은 내부 영역들에서도, 캐소드 활성 재료와의 전해질의 접촉을 용이하게 할 수 있고, 그렇게 함으로써 증가된 방전 레이트를 용이하게 한다고 가정된다. 따라서, 본 개시 내용의 양태들은, 2차 배터리의 비교적 높은 방전 레이트, 그리고 따라서 높은 레이트 능력을 유지하면서, 비교적 큰 체적의 캐소드 활성 재료가 (캐소드 구조체들, 애노드 구조체들, 및 분리기들의 총 체적에 관련하여) 제공되는 것을 허용할 수 있다.
예를 들어, 일 실시예에서, 2차 배터리의 면적 용량은 배터리의 애노드 구조체 집단의 멤버들의 중간 대향하는 표면 면적 당 배터리의 용량으로서 결정될 수 있고, 여기서 대향하는 표면 면적은 적층 방향으로 애노드에 바로 인접하는 캐소드 표면을 대면하는 애노드 표면의 부분의 면적이다. 면적 용량은 mA·h/cm2의 단위들로 측정될 수 있다. 예를 들어, 도 1d를 참조하면, 대향하는 표면 면적 OA는, 높이 HA로 곱셈되는, 애노드의 길이 LA를 따르는 포인트들(126a 및 126b) 사이의 애노드 표면 면적의 해당 부분일 수 있고, 여기서 포인트(126b)는 애노드의 원위 단부이고, 포인트(126a)는, 대면 캐소드(112)의 원위 단부로부터 걸쳐 위치되는, 애노드의 베이스 직전 포인트이고, 따라서 126a 및 126b는 대향하는 캐소드(112) 표면을 직접 대면하는 애노드의 표면 영역의 단부를 표기한다. 따라서, 일 실시예에서, 2차 배터리의 면적 용량은 0.1C에서 적어도 3 mA·h/cm2이다. 추가의 예로서, 일 실시예에서, 2차 배터리의 에너지 밀도는 0.1C에서 적어도 5 mA·h/cm2이다. 추가의 예로서, 일 실시예에서, 2차 배터리의 에너지 밀도는 0.1C에서 적어도 8 mA·h/cm2이다. 추가의 예로서, 일 실시예에서, 2차 배터리의 에너지 밀도는 0.1C에서 적어도 10 mA·h/cm2이다. 추가의 예로서, 일 실시예에서, 2차 배터리의 에너지 밀도는 0.1C에서 적어도 15 mA·h/cm2이다. 추가의 예로서, 일 실시예에서, 2차 배터리의 에너지 밀도는 0.1C에서 적어도 20 mA·h/cm2이다. 추가의 예로서, 일 실시예에서, 2차 배터리의 에너지 밀도는 0.1C에서 적어도 25 mA·h/cm2이다. 예를 들어, 일 실시예에서, 2차 배터리(102)의 에너지 밀도는 0.1C에서 3 내지 50 mA·h/cm2의 범위에 있다. 추가의 예로서, 일 실시예에서, 2차 배터리(102)의 에너지 밀도는 0.1C에서 5 내지 25 mA·h/cm2의 범위에 있다. 추가의 예로서, 일 실시예에서, 2차 배터리(102)의 에너지 밀도는 0.1C에서 8 내지 20 mA·h/cm2의 범위에 있다.
일 실시예에서, 2차 배터리(102)는 2차 배터리의 레이트 능력에 따라 정량화될 수 있는 더 높은 방전 레이트를 제공할 수 있다. 2차 배터리의 레이트 능력은, 백분율로서 표현되는, 제1 C-레이트에서의 2차 배터리의 용량 대 제2 C-레이트에서의 2차 배터리의 용량의 비율을 지칭한다. 예를 들어, 레이트 능력은 Capacity1/Capacity2 X 100에 따라 계산될 수 있고- 여기서 Capacity1은, 1C의 C-레이트와 같은, 제1 C-레이트로 방전하기 위한 용량이고, Capacity 2는, C/10의 C-레이트와 같은, 제2 C-레이트로 방전하기 위한 용량임 -, 명시된 비율CX/Cy에 대한 계산된 백분율로서 표현될 수 있다- 여기서 Cx는 제1 C-레이트이고, Cy는 제2 C-레이트임 -. 특히, 레이트 능력 메트릭은 더 낮은 레이트에 비해 더 높은 레이트로 방전될 때 2차 배터리의 방전의 레이트의 효율의 척도로서 역할을 할 수 있다. 명료화로서, 실제로, 2차 배터리의 방전의 속도를 증가시키는 것은 더 높은 전류에 대향하여 구축될 수 있는 다른 힘들 및 임피던스들의 생성을 초래한다는 점이 주목된다. 따라서, 레이트 능력은 방전 레이트에서의 변경으로 인해 발생하는 용량에서의 변경의 척도일 수 있다. 일 실시예에서, 2차 배터리는 적어도 75%의 1C:C/10의 레이트 능력을 제공할 수 있다. 추가의 예로서, 2차 배터리는 적어도 80%의 1C:C/10의 레이트 능력을 제공할 수 있다. 추가의 예로서, 2차 배터리는 적어도 90%의 1C:C/10의 레이트 능력을 제공할 수 있다. 추가의 예로서, 2차 배터리는 적어도 95%의 1C:C/10의 레이트 능력을 제공할 수 있다. 추가의 예로서, 2차 배터리는 적어도 75%의 2C:C/10 레이트를 제공할 수 있다. 추가의 예로서, 2차 배터리는 적어도 80%의 2C:C/10의 레이트 능력을 제공할 수 있다. 추가의 예로서, 2차 배터리는 적어도 90%의 2C:C/10의 레이트 능력을 제공할 수 있다. 추가의 예로서, 2차 배터리는 적어도 95%의 2C:C/10의 레이트 능력을 제공할 수 있다. 추가의 예로서, 2차 배터리는 적어도 75%의 5C:C/10 레이트를 제공할 수 있다. 추가의 예로서, 2차 배터리는 적어도 80%의 5C:C/10의 레이트 능력을 제공할 수 있다. 추가의 예로서, 2차 배터리는 적어도 90%의 5C:C/10의 레이트 능력을 제공할 수 있다. 추가의 예로서, 2차 배터리는 적어도 95%의 5C:C/10의 레이트 능력을 제공할 수 있다.
일 실시예에서, 2차 배터리는 0.1C에서 적어도 3 mA·h/cm2의 면적 용량, 및 적어도 75%의 1C/0.1C의 레이트 능력을 갖는다. 예를 들어, 일 실시예에서, 2차 배터리는 0.1C에서 적어도 5 mA·h/cm2의 면적 용량, 및, 95%와 같은, 적어도 80% 그리고 심지어 적어도 90%의 1C/0.1C의 레이트 능력과 같은, 적어도 75%의 1C/0.1C의 레이트 능력을 가질 수 있다. 추가의 예로서, 일 실시예에서, 2차 배터리는 0.1C에서 적어도 8 mA·h/cm2의 면적 용량, 및, 95%와 같은, 적어도 80% 그리고 심지어 적어도 90%의 1C/0.1C의 레이트 능력과 같은, 적어도 75%의 1C/0.1C의 레이트 능력을 가질 수 있다. 추가의 예로서, 일 실시예에서, 2차 배터리는 0.1C에서 적어도 10 mA·h/cm2의 면적 용량, 및, 95%와 같은, 적어도 80% 그리고 심지어 적어도 90%의 1C/0.1C의 레이트 능력과 같은, 적어도 75%의 1C/0.1C의 레이트 능력을 가질 수 있다. 추가의 예로서, 일 실시예에서, 2차 배터리는 0.1C에서 적어도 15 mA·h/cm2의 면적 용량, 및, 95%와 같은, 적어도 80% 그리고 심지어 적어도 90%의 1C/0.1C의 레이트 능력과 같은, 적어도 75%의 1C/0.1C의 레이트 능력을 가질 수 있다. 추가의 예로서, 일 실시예에서, 2차 배터리는 0.1C에서 적어도 20 mA·h/cm2의 면적 용량, 및, 95%와 같은, 적어도 80% 그리고 심지어 적어도 90%의 1C/0.1C의 레이트 능력과 같은, 적어도 75%의 1C/0.1C의 레이트 능력을 가질 수 있다. 추가의 예로서, 일 실시예에서, 2차 배터리는 0.1C에서 적어도 25 mA·h/cm2의 면적 용량, 및, 95%와 같은, 적어도 80% 그리고 심지어 적어도 90%의 1C/0.1C의 레이트 능력과 같은, 적어도 75%의 1C/0.1C의 레이트 능력을 가질 수 있다.
또 다른 실시예에서, 임의의 특정 이론에 제한되지 않고, 팽창/수축 캐소드 구조체들(112)을 갖는 전극 어셈블리(106)는 캐소드 구조체들에서의 캐소드 활성 재료로의 전해질의 이동 및 유동을 증가시키는 그리고 캐소드 구조체들(112)을 갖는 2차 배터리(102)의 높은 레이트의 방전을 유지하는 것을 돕는 전해질 펌핑 효과를 제공할 수 있다고 신뢰된다. 명료화로서, 그리고 임의의 하나의 특정 이론에 제한되지 않고, 2차 배터리(102)에서의 전해질에 의해 점유되는 체적은 캐소드 및 애노드 구조체들(112,110)의 집단의 멤버들 사이에서 전해질에 의해 점유되는 체적을 포함하고, 애노드 구조체들(110)의 집단의 멤버들에서의 공극들 등의 존재로 인한 임의의 개방 체적, 및 캐소드 구조체들(112)의 집단의 멤버들에서의 개방 체적을 또한 포함하고, 이는 이들의 다공률로부터 초래된다는 점이 주목된다. 2차 배터리(102)가 충전됨에 따라, 애노드 구조체들(110)의 집단의 멤버들에서의 임의의 공극들은, 애노드 구조체들(110)의 집단의 멤버들을 점유하는 전해질의 체적이 감소하도록, 삽입된 및/또는 인터-합금된 캐리어 이온들로 점점 더 채워지게 된다. 또한, 이러한 삽입 및/또는 인터-합금으로 인한 애노드 구조체들(110)의 집단의 멤버들의 크기에서의 증가는, 위에 논의된 바와 같이, 캐소드 구조체들(112)의 집단의 멤버들을 압축할 수 있고, 그렇게 함으로써 2차 배터리(102)가 충전되고 있을 때 캐소드 구조체들(112)을 점유하는 전해질의 체적이 감소하도록 캐소드 구조체 멤버들에서의 개방 공극 체적을 감소시킨다. 반대로, 2차 배터리(102)의 방전은, 애노드 구조체에서의 보다 이용 가능한 체적을 제공하기 위해, 캐리어 이온들의 삽입 해제 및/또는 합금 해제 초래할 수 있고, 캐소드 구조체들의 팽창을 또한 초래할 수 있고, 이는 캐소드 구조체 집단의 멤버들의 공극들/개방 체적 내에서의 전해질에 대한 다공률 및 이용 가능 체적을 증가시킬 수 있다. 즉, 전해질은 방전 상태에서의 캐소드 구조체들(112)의 집단의 멤버들의 공극들에서의 체적 V2보다 작은 충전 상태에서의 캐소드 구조체들(112)의 집단의 멤버들의 공극들에서의 체적 V1을 점유할 수 있다. 설명으로서, 그리고 임의의 이론에 의해 제한되지 않고, 충전 상태와 방전 상태 사이의 사이클링에서 캐소드 구조체들(112)의 집단의 멤버들에서의 (그리고 심지어 애노드 구조체 집단에서의) 전해질에 대한 이용 가능한 체적에서의 이러한 변경(V1 및 V2사이)이 전해질 펌핑 효과를 제공할 수 있고 그렇게 함으로써 전해질은 사이클링 동안 캐소드 활성 재료 층(138)의 공극들 내로 그리고 그 주위에 "펌핑되고(pumped)" 및/또는 휘저어진다고 신뢰된다. 따라서, 캐소드 활성 재료 층(138)의 공극들 내로 그리고 그 주위에 전해질을 "펌핑(pumping)"하는 것은 전해질을 캐소드 활성 재료와 접촉시키는 것일 수 있고, 방전 프로세스 동안 전해질과의 캐소드 활성 재료의 증가된 접촉으로 인해 캐소드 활성 재료 층의 방전의 레이트를 강화할 수 있다. 방전 상태에서의 캐소드 구조체들(112)의 집단의 멤버들의 공극들의 체적 V2은 방전 상태에서의 캐소드 활성 재료 층(138)의 다공률에 관련될 수 있고, 충전 상태에서의 캐소드 구조체들(112)의 집단의 멤버들의 공극들의 체적 V1은 충전 상태에서의 캐소드 활성 재료 층(138)의 다공률에 관련될 수 있다. 일 실시예에서, 방전 상태에서의 전해질에 대해 이용 가능한 캐소드 활성 재료 층(138)의 체적 대 충전 상태에서의 체적의 비율 V2:V1은 적어도 1.1:1일 수 있다. 예를 들어, 일 실시예에서, 비율 V2:V1는 적어도 1.5:1일 수 있다. 예를 들어, 일 실시예에서, 비율 V2:V1는 적어도 2:1일 수 있다. 예를 들어, 일 실시예에서, 비율 V2:V1는 적어도 5:1일 수 있다. 추가의 예로서, 일 실시예에서 비율 V2:V1는 적어도 10:1일 수 있다. 또 추가 예로서, 일 실시예에서 비율 V2:V1는 적어도 15:1일 수 있다. 예를 들어, 비율 V2 대 V1은, 1.5:1 내지 20:1, 그리고 심지어 3:1 내지 15:1과 같은, 1.1:1 내지 30:1의 범위에 있을 수 있다. 또 다른 실시예에서, 충전 및/또는 방전 상태들 중 하나 이상에서 미리 결정된 공극 체적을 용이하게 하기 위해 다공성 필러 입자들이 또한 제공될 수 있다.
또 다른 실시예에서, 충전 상태와 방전 상태 사이에 사이클링하기 위한 2차 배터리의 형성의 방법이 제공될 수 있다. 일 양태에 따르면, 이러한 형성의 방법은 적어도 하나의 초기 형성 충전 단계를 포함할 수 있고, 여기서 2차 배터리(102)는 애노드 구조체들(110)의 집단의 멤버들이 팽창되도록 충전되고, 그 결과 팽창 애노드 구조체들(110)은 캐소드 구조체들(112)의 집단의 멤버들을 압축한다. 일반적으로 말하면, 형성 스테이지는, 2차 배터리가 자신의 정격 용량까지 충전될 수 있도록, 내부 구조체들 및 형태들을 재배열 및/또는 최적화하는 조건들 하에서 수행되는 하나 이상의 초기 충전 단계를 포함할 수 있다. 예를 들어, 형성 스테이지는, 예를 들어, 2차 배터리에서의 임피던스를 최소화하고 전해질과 전극들 사이의 접촉을 최적화하기 위해, 전류, 온도 및 지속기간의 신중히 제어된 조건들 하에서 수행되는 하나 이상의 충전 단계를 포함할 수 있다. 일 실시예에서, 형성 단계 동안, 애노드 구조체들(110)의 집단의 멤버들은 캐소드 활성 재료의 압축 가능 층들(138)을 초기 형성 스테이지 이전의 캐소드 활성 재료 층들(138)의 원래 크기 미만인 크기로 압축할 수 있다. 따라서 초기 형성 스테이지는, 캐소드 구조체 집단 멤버들의 캐소드 활성 재료 층들(138)에서의 캐소드 활성 재료의 미리 결정된 밀도, 다공률, 및/또는 체적% 뿐만 아니라 미리 결정된 크기, 단면 면적 및/또는 체적을 갖는 캐소드 구조체들(112)의 집단의 멤버들의 인 시튜 형성(in situ formation) 제공할 수 있다. 일 실시예에서, 초기 형성 스테이지는, 단면 면적이 초기 형성 단계 이전의 초기 단면 면적 Ci로부터 이러한 초기 단면 면적 Ci의 95% 미만인 초기 형성 스테이지 이후의 형성 후 단면 면적 Cf까지 감소하도록, 캐소드 구조체들(112)의 집단의 서브세트를 압축한다. 추가의 예로서, 일 실시예에서, 초기 형성 스테이지는, 단면 면적이 초기 형성 스테이지 이전의 초기 단면 면적 Ci로부터 이러한 초기 단면 면적 Ci의 90% 미만인 초기 형성 스테이지 이후의 형성 후 단면 면적 Cf까지 감소하도록, 캐소드 구조체들(112)의 집단의 서브세트를 압축한다. 추가의 예로서, 일 실시예에서, 초기 형성 스테이지는, 단면 면적이 초기 형성 스테이지 이전의 초기 단면 면적 Ci로부터 이러한 초기 단면 면적 Ci의 80% 미만인 초기 형성 스테이지 이후의 형성 후 단면 면적 Cf까지 감소하도록, 캐소드 구조체들(112)의 집단의 서브세트를 압축한다. 추가의 예로서, 일 실시예에서, 초기 형성 스테이지는, 단면 면적이 초기 형성 스테이지 이전의 초기 단면 면적 Ci로부터 이러한 초기 단면 면적 Ci의 70% 미만인 초기 형성 스테이지 이후의 형성 후 단면 면적 Cf까지 감소하도록, 캐소드 구조체들(112)의 집단의 서브세트를 압축할 수 있다. 일반적으로, 형성 후 단면 면적 Cf는 초기 단면 면적 Ci의 적어도 25%일 것이다. 예를 들어, 초기 형성 단계는 캐소드 구조체들(112)의 집단의 서브세트를, Ci의 30% 내지 80%의 범위에 있는, 그리고 심지어 Ci의 40% 내지 60%의 범위에 있는 것과 같은, Ci의 25% 내지 95%의 범위에 있는 단면 면적 Cf으로 압축할 수 있다. 또한, 일 실시예에 따르면, 위에 논의된 바와 같이, MAC(예를 들어, 하나 초과의 캐소드 멤버에 대한 단면 면적들의 중간), MLC(예를 들어, 캐소드 멤버를 따르는 상이한 세로 평면들에서의 단면 면적들의 중간), 및/또는 MOC(예를 들어, MAc 및 MLc의 중간)에 따라 측정되는 바와 같은, 중간 단면 면적은, 초기 형성 동안 캐소드 구조체들의 집단의 서브세트의 압축의 정도를 결정하는데 사용될 수 있고, 위 Ci의 %로서의 Cf에 대한 범위들과 유사한 및/또는 동일한 중간 단면 면적들의 %로서의 중간 단면 면적들 형성 후를 나타낼 수 있다.
또한, 형성 스테이지는 애노드 구조체들의 집단의 멤버들의 크기에서의 증가를 초래할 수 있다. 예를 들어, 애노드 구조체들의 집단의 서브세트의 초기 단면 면적 Ai는, 적어도 1.3:1, 그리고 심지어 적어도 1.5:1과 같은, 적어도 1.1:1인 Af:Ai의 비율을 제공하는 형성 후 단면 면적 Af까지 증가할 수 있다. 예를 들어, 비율 Af:Ai는 적어도 2:1일 수 있고, 적어도 4:1, 그리고 심지어 적어도 5:1과 같은, 심지어 적어도 3:1일 수 있다. 예를 들어, 초기 형성 단계 이전의 캐소드 구조체들의 집단의 서브세트의 단면 면적 Ci는, 1000 μm2 내지 5X106 μm2, 그리고 심지어 1500 μm2 내지 3X106 μm2와 같은, 800 μm2 내지 8X106 μm2의 범위에 있을 수 있다. 대조적으로, 초기 형성 단계 이후의 캐소드 구조체들의 집단의 서브세트의 단면 면적 Cf는, 4000 μm2 내지 5.05X106 μm2, 그리고 심지어 from 500 μm2 내지 3X106와 같은, 3500 μm2 내지 8X106 μm2의 범위에 있을 수 있다. 또한, 일 실시예에 따르면, 위에 논의된 바와 같이, MAA(예를 들어, 하나 초과의 애노드 멤버에 대한 단면 면적들의 중간), MLA(예를 들어, 애노드 멤버를 따르는 상이한 세로 평면들에서의 단면 면적들의 중간), 및/또는 MOA(예를 들어, MAA 및 MLA의 중간)에 따라 측정되는 바와 같은, 중간 단면 면적은, 초기 형성 스테이지 동안 애노드 구조체들의 집단의 서브세트의 팽창의 정도를 결정하는데 사용될 수 있고, 위와 같이 Af 대 Ai의 비율에 대한 범위들과 유사한 및/또는 동일한 중간 단면 면적들 형성 후의 %로서의 중간 단면 면적들 형성 후를 나타낼 수 있다.
또 다른 실시예에서, 초기 형성 스테이지는 2차 배터리(102)를 충전하여 캐소드 활성 재료 층(138)을 압축하여, 이들의 다공률을 감소시키고, 및/또는 캐소드 활성 재료의 입자들 및/또는 필러에 의해 점유되는 캐소드 활성 재료 층들(138)의 체적 %를 증가시키는 것(예를 들어, 캐소드 활성 재료 층들을 조밀화함)을 포함할 수 있다. 예로서, 일 실시예에서, 초기 형성 스테이지 이전의 캐소드 활성 재료 층들(138)에서의 입자들의 체적 %는, 30% 이하 그리고 심지어 25% 이하와 같은, 50% 이하일 수 있다. 대조적으로, 초기 형성 스테이지 이후의 캐소드 활성 재료 층들(138)에서의 입자들의 체적 %는, 적어도 75%와 같은, 적어도 60% 그리고 심지어, 적어도 85%와 같은, 적어도 95%일 수 있다.
또 다른 실시예에 따르면, 초기 형성 스테이지는, 미세다공성 분리기로 하여금 캐소드 및 애노드 구조체들의 집단들의 멤버들에 적어도 부분적으로 부착하게 하는 압력에서, 애노드 구조체들(110)의 집단의 멤버들이 미세다공성 분리기(130)를 캐소드 구조체들(112) 및/또는 애노드 구조체들에 대해 팽창하고 압축하도록, 2차 배터리(102)를 충전하는 단계를 포함할 수 있다. 즉, 미세다공성 분리기(130)가 캐소드 구조체들(112) 및/또는 애노드 구조체(110)의 집단들의 멤버들을 적어도 부분적으로 가소화하고 및/또는 달리 이들에 부착할 수 있는 폴리머 또는 다른 재료를 포함하는 경우에, 멤버들에 대한 미세다공성 분리기(130)의 압축은 분리기 및 멤버들로 하여금 서로 적어도 부분적으로 부착하게 할 수 있다. 일 실시예에서, 캐소드 구조체 및/또는 애노드 구조체 멤버들로의 미세다공성 분리기의 적어도 부분적인 부착은 2차 배터리(102)의 방전 시에 캐소드 구조체 멤버들로 하여금 팽창하게 할 수 있다. 명확화로서, 2차 배터리의 충전은 애노드 구조체들(110)의 집단의 멤버들을 팽창시키고, 이러한 팽창은 애노드 구조체 멤버들에 인접하는 탄성 미세다공성 분리기(130)의 부분들을 또한 신장시킬 수 있다는 점이 주목된다. 또한, 2차 배터리(102)의 방전 동안 애노드 구조체들(110)의 집단의 멤버들이 수축될 때, 탄성 미세다공성 분리기 또한, 애노드 구조체 집단 멤버들(110)의 수축 프로파일과 실질적으로 등각으로와 같이, 보다 완화된 상태로 다시 수축될 수 있다. 그러나, 분리기(130)가 멤버들에 적어도 부분적으로 부착됨에 따라, 분리기의 수축은 미세다공성 분리기에 적어도 부분적으로 부착되는 캐소드 구조체들(112)의 집단의 멤버들의 표면을 당기는 힘을 또한 행사하고, 그렇게 함으로써 멤버들로 하여금 크기에서 팽창되게 한다. 즉, 캐소드 구조체들(112) 및/또는 애노드 구조체(110)의 집단의 멤버들로의 분리기(130)의 적어도 부분적인 부착은 따라서, 예를 들어 캐소드 구조체 집단 멤버들(112)이 애노드 구조체 집단 멤버들(110)의 크기에서의 수축에 역으로 관련되는 방식으로 크기에서 팽창되도록, 캐소드 구조체 집단 멤버들(112)로 하여금 2차 배터리(102)의 방전 동안 애노드 구조체들(110)의 집단의 멤버들의 수축과 협력하여 팽창되게 할 수 있다. 일 실시예에서, 초기 형성 스테이지는, 애노드 구조체들(110)의 집단의 멤버들이, 미세다공성 분리기(130)의 표면에서 미세다공성 분리기의 폴리머 재료를 적어도 부분적으로 용융하기에 충분한 압력에서 캐소드 구조체들(112)의 집단의 멤버들에 대해 미세다공성 분리기(130)를, 캐소드 구조체(112)의 캐소드 활성 재료 층(138)의 접촉 표면에서의 폴리머 매트릭스 재료까지, 그리고 애노드 구조체(110)의 접촉 표면까지, 팽창 및 압축시켜, 캐소드 활성 재료 층(138)이, 2차 배터리(102)의 사이클링 동안, 분리기의 굴곡 및/또는 수축과 협력하여 팽창 및/또는 수축하도록, 2차 배터리(102)를 충전하는 단계를 포함한다.
일 실시예에서, 초기 형성 스테이지는, 애노드 구조체들의 집단의 멤버들이 팽창되고, 적어도 1,000 psi의 압력에서 캐소드 구조체들 및/또는 애노드 구조체들의 집단의 멤버들에 대해 미세다공성 분리기들(130)을 압축하는 압력을 행사하도록, 2차 배터리를 충전하는 단계를 포함한다. 다른 실시예에서, 미세다공성 분리기들은 적어도 3,000 psi의 압력에서 초기 형성 스테이지 동안 캐소드 구조체 집단 및/또는 애노드 구조체 집단의 멤버들에 대해 압축된다. 또 다른 실시예에서, 미세다공성 분리기들은 적어도 5,000 psi의 압력에서 초기 형성 스테이지 동안 캐소드 구조체들 및/또는 애노드 구조체들의 집단의 멤버들에 대해 압축된다. 또 다른 실시예에서, 미세다공성 분리기들은 적어도 10,000 psi의 압력에서 초기 형성 스테이지 동안 캐소드 구조체들 및/또는 애노드 구조체들의 집단의 멤버들에 대해 압축된다.
압축 가능 캐소드 구조체들(112)을 갖는, 2차 배터리(102)와 같은 에너지 저장 디바이스(100) 및 이들의 컴포넌트들의 실시예들이 이하 추가로 상세히 설명된다.
전극 어셈블리
다시 도 1a 및 도 1b를 참조하면, 일 실시예에서, 상호 맞물리는 전극 어셈블리(106)는 애노드 구조체들(110)의 집단, 캐소드 구조체들(112)의 집단, 및 캐소드 구조체들(112)로부터 애노드 구조체들(110)을 전기적으로 절연하는 전기적 절연 미세다공성 분리기(130)를 포함한다. 일 실시예에서, 애노드 구조체들(110)은, 도 7에 묘사되는 실시예에 도시되는 바와 같이, 애노드 활성 재료 층(132), 애노드 활성 재료 층(132)을 지지하는 애노드 백본(134), 및, 이온들이 그것을 통과하는 것을 허용하는 이온 다공성 전류 콜렉터일 수 있는, 애노드 전류 콜렉터(136)를 포함한다. 유사하게, 일 실시예에서, 캐소드 구조체들(112)은, 예를 들어 도 7에 묘사되는 실시예에서 도시되는 바와 같이, 캐소드 활성 재료 층(138), 캐소드 전류 콜렉터(140), 및 캐소드 전류 콜렉터(140) 및/또는 캐소드 활성 재료 층(138) 중 하나 이상을 지지하는 캐소드 백본(141)을 포함한다. 전기적 절연 미세다공성 분리기(130)는 충전 및/또는 방전 프로세스들 동안 캐리어 이온들이 그것을 통과하여, 전극 어셈블리(106)에서의 애노드 구조체들(110)과 캐소드 구조체들(112) 사이에 이동하는 것을 허용한다. 또한, 애노드 및 캐소드 구조체들(각각, 110 및 112)은 본 명세서에 설명되는 구체적인 실시예들 및 구조체들에 제한되는 것은 아니고, 본 명세서에 구체적으로 설명되는 것들 이외의 다른 구성들, 구조체들, 및/또는 재료들이 애노드 구조체들(110) 및 캐소드 구조체들(112)을 형성하도록 또한 제공될 수 있다는 점이 이해되어야 한다. 예를 들어, 애노드 및 캐소드 구조체들(110,112)은, 백본들을 포함할 애노드 및/또는 캐소드 구조체들(110,112)의 영역이 대신에 애노드 활성 재료 및/또는 캐소드 활성 재료로 이루어지는 경우에서와 같이, 구조들이 임의의 애노드 및/또는 캐소드 백본들(134,141)에 실질적으로 존재하지 않는 형태로 제공될 수 있다.
도 1a 및 도 1b에 도시되는 바와 같은 실시예에 따르면, 애노드 및 캐소드 구조체 집단들(각각, 110 및 112)의 멤버들은 교대 시퀀스로 배열되고, 이러한 교대 시퀀스의 방향은 적층 방향 D에 대응한다. 이러한 실시예에 따른 전극 어셈블리(106)는 상호 수직인 세로, 가로, 및 수직 축들을 추가로 포함하고, 세로 축 AEA는 전극 및 상대 전극 구조체 집단들의 멤버들의 적층 방향 D에 일반적으로 대응하거나 또는 평행하다. 도 1a의 실시예에 도시되는 바와 같이, 세로 축 AEA는 Y 축에 대응하는 것으로서 묘사되고, 가로 축은 X 축에 대응하는 것으로서 묘사되고, 수직 축은 Z 축에 대응하는 것으로서 묘사된다.
또한, 전극 어셈블리(106)는 세로 방향으로(즉, y 축을 따라) 측정되는 최대 폭 WEA, 측방향 표면에 의해 경계가 정해지고 가로 방향으로(즉, x 축을 따라) 측정되는 최대 길이 LEA, 및 측방향 표면에 의해 또한 경계가 정해지고 수직 방향으로(즉, z 축을 따라) 측정되는 최대 높이 HEA를 갖는다. 최대 폭 WEA는 전극 어셈블리가 세로 방향으로 가장 넓은 전극 어셈블리(106)의 세로 단부 표면들(116,118)의 대향하는 포인트들로부터 측정되는 바와 같은 전극 어셈블리(106)의 최대 폭에 대응하는 것으로서 이해될 수 있다. 예를 들어, 도 1a에서의 전극 어셈블리(106)의 실시예를 참조하면, 최대 폭 WEA는 세로 방향으로 측정되는 바와 같이 어셈블리(106)의 폭에 단순히 대응하는 것으로서 이해될 수 있다. 그러나, 도 5h에 도시되는 전극 어셈블리(106)의 실시예를 참조하면, 최대 폭 WEA는 2개의 대향하는 포인트들(300a, 300b)로부터 측정되는 바와 같이 전극 어셈블리의 폭에 대응하고, 여기서 전극 어셈블리는 전극 어셈블리(106)가 보다 좁은 대향하는 포인트들(301a, 301b)로부터 측정되는 바와 같은 폭과 반대로, 세로 방향으로 가장 넓다는 점을 알 수 있다. 유사하게, 최대 길이 LEA는 전극 어셈블리는 가로 방향으로 가장 긴 전극 어셈블리(106)의 측방향 표면(142)의 대향하는 포인트들로부터 측정되는 바와 같은 전극 어셈블리의 최대 길이에 대응하는 것으로서 이해될 수 있다. 도 1a에서의 실시예를 다시 참조하면, 최대 길이 LEA는 단순히 전극 어셈블리(106)의 길이로서 이해될 수 있는 반면, 도 5h에 도시되는 실시예에서, 최대 길이 LEA는 2개의 대향하는 포인트들(302a, 302b)로부터 측정되는 바와 같은 전극 어셈블리의 길이에 대응하고, 여기서 전극 어셈블리는, 전극 어셈블리가 더 짧은 대향하는 포인트들(303a, 303b)로부터 측정되는 바와 같은 길이에 반대로, 가로 방향으로 가장 긴 것이다. 유사한 라인들을 따라, 최대 높이 HEA는 전극 어셈블리가 수직 방향으로 가장 높은 전극 어셈블리의 측방향 표면(143)의 대향하는 포인트들로부터 측정되는 바와 같은 전극 어셈블리의 최대 높이에 대응하는 것으로서 이해될 수 있다. 즉, 도 1a에 도시되는 실시예에서, 최대 높이 HEA는 단순히 전극 어셈블리의 높이이다. 도 5h에 도시되는 실시예에서 구체적으로 묘사되지 않지만, 전극 어셈블리가 세로 및 가로 방향 중 하나 이상에 걸쳐 포인트들에서 상이한 높이들을 가졌다면, 전극 어셈블리의 최대 높이 HEA는, 최대 폭 WEA 및 최대 길이 LEA에 대해 유사하게 설명되는 바와 같이, 전극 어셈블리가 더 짧은 대향하는 포인트들로부터 측정되는 바와 같은 높이와는 반대로, 전극 어셈블리가 수직 방향으로 가장 높은 2개의 대향하는 포인트들로부터 측정되는 바와 같은 전극 어셈블리의 높이에 대응하는 것으로 이해될 것이다. 전극 어셈블리(106)의 최대 길이 LEA, 최대 폭 WEA, 및 최대 높이 HEA는 에너지 저장 디바이스(100) 및 이들의 의도되는 용도에 의존하여 달라질 수 있다. 예를 들어, 일 실시예에서, 전극 어셈블리(106)는 종래의 2차 배터리 치수들의 통상적인 최대 길이들 LEA, 폭들 WEA, 및 높이들 HEA를 포함할 수 있다. 추가의 예로서, 일 실시예에서, 전극 어셈블리(106)는 박막 배터리 치수들의 통상적인 최대 길이들 LEA, 폭들 WEA, 및 높이들 HEA를 포함할 수 있다.
일부 실시예들에서, 치수들 LEA, WEA, 및 HEA는 수직 축(Z 축)을 따르는 최대 높이 HEA보다 긴 세로 축(Y축)을 따르는 최대 폭 WEA 및/또는 가로 축(X 축)을 따르는 최대 길이 LEA를 갖는 전극 어셈블리(106)를 제공하도록 선택된다. 예를 들어, 도 1a에 도시되는 실시예에서, 치수들 LEA, WEA, 및 HEA는, 전극 구조체 적층 방향 D와 일치하는 세로 축(Y 축)을 따르는 뿐만 아니라, 전극 구조체 적층 방향 D와 직교하는 가로 축(X 축)을 따르는 최대 치수를 갖는 전극 어셈블리(106)를 제공하도록 선택된다. 즉, 최대 길이 LEA 및/또는 최대 폭 WEA는 최대 높이 HEA 초과일 수 있다. 예를 들어, 일 실시예에서, 최대 길이 LEA 대 최대 높이 HEA의 비율은 적어도 2:1일 수 있다. 추가의 예로서, 일 실시예에서, 최대 길이 LEA 대 최대 높이 HEA의 비율은 적어도 5:1일 수 있다. 추가의 예로서, 일 실시예에서, 최대 길이 LEA 대 최대 높이 HEA의 비율은 적어도 10:1일 수 있다. 추가의 예로서, 일 실시예에서, 최대 길이 LEA 대 최대 높이 HEA의 비율은 적어도 15:1일 수 있다. 추가의 예로서, 일 실시예에서, 최대 길이 LEA 대 최대 높이 HEA의 비율은 적어도 20:1일 수 있다. 상이한 치수들의 비율들은 에너지 저장 디바이스 내의 최적의 구성들이 활성 재료들의 수량을 최대화하는 것을 허용하고, 그렇게 함으로써 에너지 밀도를 증가시킨다.
일부 실시예들에서, 최대 폭 WEA은 최대 높이 HEA 초과인 전극 어셈블리(106)의 폭을 제공하도록 선택될 수 있다. 예를 들어, 일 실시예에서, 최대 폭 WEA 대 최대 높이 HEA의 비율은 적어도 2:1일 수 있다. 추가의 예로서, 일 실시예에서, 최대 폭 WEA 대 최대 높이 HEA의 비율은 적어도 5:1일 수 있다. 추가의 예로서, 일 실시예에서, 최대 폭 WEA 대 최대 높이 HEA의 비율은 적어도 10:1일 수 있다. 추가의 예로서, 일 실시예에서, 최대 폭 WEA 대 최대 높이 HEA의 비율은 적어도 15:1일 수 있다. 추가의 예로서, 일 실시예에서, 최대 폭 WEA 대 최대 높이 HEA의 비율은 적어도 20:1일 수 있다.
일 실시예에 따르면, 최대 폭 WEA 대 최대 길이 LEA의 비율은 최적의 구성을 제공하는 미리 결정된 범위 내에 있도록 선택될 수 있다. 예를 들어, 일 실시예에서, 최대 폭 WEA 대 최대 길이 LEA의 비율은 1:5 내지 5:1의 범위에 있을 수 있다. 추가의 예로서, 일 실시예에서, 최대 폭 WEA 대 최대 길이 LEA의 비율은 1:3 내지 3:1의 범위에 있을 수 있다. 또 추가의 예로서, 일 실시예에서, 최대 폭 WEA 대 최대 길이 LEA의 비율은 1:2 내지 2:1의 범위에 있을 수 있다.
도 1a에 도시되는 바와 같은 실시예에서, 전극 어셈블리(106)는 세로 축 AEA을 따라 제1 세로 단부 표면(116)으로부터 분리되는 대향하는 제2 세로 단부 표면(118) 및 제1 세로 단부 표면(116)을 갖는다. 전극 어셈블리(106)는 세로 축 AEA를 적어도 부분적으로 둘러싸는, 그리고 제1 및 제2 세로 단부 표면들(116,118)을 접속하는 측방향 표면(142)을 추가로 포함한다. 일 실시예에서, 최대 폭 WEA은, 제1 세로 단부 표면(116)으로부터 제2 세로 단부 표면(118)까지 측정되는 바와 같은 세로 축 AEA을 따르는 치수이다. 유사하게, 최대 길이 LEA는 측방향 표면(142)에 의해 경계가 정해질 수 있고, 일 실시예에서, 세로 축에 직교하는 가로 축을 따라 측방향 표면(142)의 대향하는 제1 및 제2 영역들(144,146)로부터 측정되는 바와 같은 치수일 수 있다. 일 실시예에서, 최대 높이(HEA)는 측방향 표면(142)에 의해 경계가 정해질 수 있고, 세로 축에 직교하는 수직 축을 따라 측방향 표면(142)의 대향하는 제1 및 제2 영역(148,150)으로부터 측정될 수 있다.
명확성의 목적들로, 도 1a에 도시되는 실시예에서는 4개의 애노드 구조체들(110) 및 4개의 캐소드 구조체들(112)만이 도시된다. 예를 들어, 애노드 및 캐소드 구조체 집단들(각각, 110 및 112)의 멤버들의 교대 시퀀스는 에너지 저장 디바이스(100) 및 이들의 의도되는 용도에 의존하여, 각각의 집단에 대한 임의의 수의 멤버들을 포함할 수 있고, 애노드 및 캐소드 구조체 집단들(110 및 112)의 멤버들의 교대 시퀀스는, 예를 들어, 도 1a에 도시되는 바와 같이 상호 맞물릴 수 있다. 추가의 예로서, 일 실시예에서, 애노드 구조체들(110)의 집단의 각각의 멤버는, 교대 시퀀스가 적층 방향 D를 따라 종료(terminate)될 때를 제외하고는, 캐소드 구조체들(112)의 집단의 2개의 멤버들 사이에 존재할 수 있다. 추가의 예로서, 일 실시예에서 캐소드 구조체들(112)의 집단의 각각의 멤버는, 교대 시퀀스가 적층 방향 D를 따라 종료될 때를 제외하고는, 애노드 구조체들(110)의 집단의 2개의 멤버들 사이에 존재할 수 있다. 추가의 예로서, 일 실시예에서, 그리고 보다 일반적으로 언급하면, 애노드 구조체들(110)의 집단 및 캐소드 구조체들(112)의 집단은 N개의 멤버들을 각각 갖고, N-1개의 애노드 구조체 멤버들(110) 각각은 2개의 캐소드 구조체 멤버들(112) 사이에 있고, N-1개의 캐소드 구조체 멤버들(112) 각각은 2개의 애노드 구조체 멤버들(110) 사이에 있고, N은 적어도 2이다. 추가의 예로서, 일 실시예에서, N은 적어도 4이다. 추가의 예로서, 일 실시예에서, N은 적어도 5이다. 추가의 예로서, 일 실시예에서, N은 적어도 10이다. 추가의 예로서, 일 실시예에서, N은 적어도 25이다. 추가의 예로서, 일 실시예에서, N은 적어도 50이다. 추가의 예로서, 일 실시예에서, N은 적어도 100이상이다. 일 실시예에서, 애노드 및/또는 캐소드 집단들의 멤버들은 가상 백플레인(imaginary backplane)(예를 들어, 애노드 어셈블리의 표면과 실질적으로 일치하는 평면)으로부터 이러한 백플레인에서 멤버들의 기하학적 풋프린트(즉, 돌출)의 2배 초과인 표면 면적(다공률을 무시함)을 갖도록 충분히 연장된다. 특정 실시예들에서, 가상 백플레인에서의 비-층상(non-laminar)(즉, 3차원) 애노드 및/또는 캐소드 구조체의 표면 면적 대 자신의 기하학적 풋프린트의 비율은 적어도 약 5, 적어도 약 10, 적어도 약 50, 적어도 약 100, 또는 심지어 적어도 약 500이다. 그러나, 일반적으로, 이러한 비율은 약 2 내지 약 1000일 것이다. 하나의 이러한 실시예에서, 애노드 집단의 멤버들은 사실상 비-층상이다. 추가의 예로서, 하나의 이러한 실시예에서, 캐소드 집단의 멤버들은 사실상 비-층상이다. 추가의 예로서, 하나의 이러한 실시예에서, 애노드 집단의 멤버들 및 캐소드 집단의 멤버들은 사실상 비-층상이다.
일 실시예에 따르면, 전극 어셈블리(106)는 전극 어셈블리(106)가 종료되는 세로 단부들(117, 119)을 갖는다. 일 실시예에 따르면, 전극 어셈블리(106)에서의 애노드 및 캐소드 구조체들(각각, 110, 112)의 교대 시퀀스는, 세로 방향으로의, 전극 어셈블리(106)의 각각의 단부(117, 119)에서의 애노드 구조체들(110)로, 또는, 세로 방향으로의, 전극 어셈블리(106)의 각각의 단부(117, 119)에서의 캐소드 구조체들(112)로와 같이, 세로 방향을 따라 대칭 방식으로 종료된다. 다른 실시예에서, 애노드(110) 및 캐소드 구조체들(112)의 교대 시퀀스는, 세로 축 AEA의 하나의 단부(117)에서의 애노드 구조체(110), 및 세로 축 AEA의 다른 단부(119)에서의 캐소드 구조체(112)로와 같이, 세로 방향을 따라 비대칭 방식으로 종료될 수 있다. 또 다른 실시예에 따르면, 전극 어셈블리(106)는 전극 어셈블리(106)의 하나 이상의 단부(117, 119)에서의 애노드 구조체(110) 및/또는 캐소드 구조체(112) 중 하나 이상의 서브구조체(substructure)로 종료될 수 있다. 예로서, 일 실시예에 따르면, 애노드(110) 및 캐소드 구조체들(112)의 교대 시퀀스는, 애노드 백본(134), 캐소드 백본(141), 애노드 전류 콜렉터(136), 캐소드 전류 콜렉터(140), 애노드 활성 재료 층(132), 캐소드 활성 재료 층(138) 등을 포함하는, 애노드(110) 및 캐소드 구조체들(112)의 하나 이상의 서브구조체에서 종료될 수 있고, 분리기(130)와 같은 구조체로 또한 종료될 수 있고, 전극 어셈블리(106)의 각각의 세로 단부(117,119)에서의 구조체는 동일하거나(대칭) 또는 상이할(비대칭) 수 있다. 전극 어셈블리(106)의 세로 단자 단부들(longitudinal terminal ends)(117, 119)은 전극 어셈블리(106)의 전체적인 성장을 제약하도록 제1 및 제2 1차 성장 제약들(154, 156)에 의해 접촉되는 제1 및 제2 세로 단부 표면들(116, 118)을 포함할 수 있다.
또 다른 실시예에 따르면, 전극 어셈블리(106)는 전극 및/또는 상대 전극 구조체들(110, 112)을 부하(load) 및/또는 전압 공급원(voltage supply)(도시되지 않음)에 전기적으로 접속시키는데 사용될 수 있는 하나 이상의 전극 및/또는 상대 전극 탭(190, 192)(예를 들어, 도 9 참조)과 접촉할 수 있는 제1 및 제2 가로 단부들(145, 147)(예를 들어, 도 1a 참조)을 갖는다. 예를 들어, 전극 어셈블리(106)는, 각각의 애노드 구조체(110)가 접속될 수 있고, 애노드 구조체들(110)의 집단의 각각의 멤버로부터의 전류를 풀링(pool)하는, 전극 버스(194)(예를 들어, 도 1a 참조)를 포함할 수 있다. 유사하게, 전극 어셈블리(106)는, 각각의 캐소드 구조체(112)가 접속될 수 있고, 캐소드 구조체들(112)의 집단의 각각의 멤버로부터의 전류를 풀링하는, 캐소드 버스(196)를 포함할 수 있다. 애노드 및/또는 캐소드 버스들(194,196) 방향 D로 측정되는, 그리고 상호 맞물리는 일련의 애노드 구조체들(110,112)의 전체 길이를 실질적으로 연장하는 길이를 각각 갖는다. 도 9에 도시되는 실시예에서, 애노드 탭(190) 및/또는 캐소드 탭(192)은 애노드 및/또는 캐소드 버스(194,196)의 전체 길이와 전기적으로 접속하고, 이를 실질적으로 실행시키는 애노드 탭 연장들(191,193)을 포함한다. 대안적으로, 애노드 및/또는 캐소드 탭들(190,192)은 탭 연장들(191,193)을 요구하지 않고, 애노드 및/또는 캐소드 버스(194,196), 예를 들어, 이러한 버스들(194,196)의 길이를 따라 이들의 단부 또는 위치 중간에 직접 접속될 수 있다. 따라서, 일 실시예에서, 애노드 및/또는 캐소드 버스들(194, 196)은 가로 방향으로 전극 어셈블리(106)의 단자 단부들(145, 147)의 적어도 일부분을 형성할 수 있고, 부하 및/또는 전압 공급원(도시되지 않음)으로의 전기 접속을 위해 전극 어셈블리를 탭들(190, 192)에 접속시킬 수 있다. 또한, 또 다른 실시예에서, 전극 어셈블리(106)는 수직(Z) 축을 따라 배치되는 제1 및 제2 단자 단부들(149, 153)을 포함한다. 예를 들어, 일 실시예에 따르면, 각각의 애노드(110) 및/또는 캐소드 구조체(112)에는, 도 1a에 도시되는 바와 같이, 분리기 재료의 상부 및 하부 코팅이 제공되고, 여기서 이러한 코팅들은 수직 방향으로 전극 어셈블리(106)의 단자 단부들(149,153)을 형성한다. 분리기 재료의 코팅으로 형성될 수 있는 단자 단부들(149, 153)은 수직 방향으로의 성장을 제약하도록 제1 및 제2 2차 성장 제약들(158, 160)과 접촉하게 배치될 수 있는 수직 축을 따르는 측방향 표면(142)의 제1 및 제2 표면 영역들(148, 150)을 포함할 수 있다.
일반적으로, 전극 어셈블리(106)는 평면(planar)이거나, 동일-평면(co-planar)이거나, 또는 비-평면(non-planar)인 세로 단부 표면들(116, 118)을 포함할 수 있다. 예를 들어, 일 실시예에서, 대향하는 세로 단부 표면들(116, 118)은 볼록할 수 있다. 추가의 예로서, 일 실시예에서 대향하는 세로 단부 표면들(116, 118)은 오목할 수 있다. 추가의 예로서, 일 실시예에서 대향하는 세로 단부 표면들(116, 118)은 실질적으로 평면이다. 특정 실시예들에서, 전극 어셈블리(106)는 평면 상으로 돌출될 때 임의의 범위의 2차원 형상들을 갖는 대향하는 세로 단부 표면들(116, 118)을 포함할 수 있다. 예를 들어, 세로 단부 표면들(116, 118)은 매끄러운 곡선 형상(예를 들어, 원형, 타원형, 쌍곡선 또는 포물선)을 독립적으로 가질 수 있거나, 이들은 일련의 라인들 및 정점들(예를 들어, 다각형)을 독립적으로 포함할 수 있거나, 또는 이들은 매끄러운 곡선 형상을 독립적으로 포함하고 하나 이상의 라인 및 정점을 포함할 수 있다. 유사하게, 전극 어셈블리(106)의 측방향 표면(142)은 매끄러운 곡선 형상일 수 있거나(예를 들어, 전극 어셈블리(106)는 원형, 타원형, 쌍곡선, 또는 포물선 단면 형상을 가질 수 있음), 또는 이러한 측방향 표면(142)은 정점들에서 접속되는 2개 이상의 라인들을 포함할 수 있다(예를 들어, 전극 어셈블리(106)는 다각형 단면을 가질 수 있음). 예를 들어, 일 실시예에서, 전극 어셈블리(106)는 원통형, 타원 원통형, 포물선 원통형, 또는 쌍곡선 원통형 형상을 갖는다. 추가의 예로서, 하나의 이러한 실시예에서, 전극 어셈블리(106)는, 동일한 크기 및 형상의 대향하는 세로 단부 표면들(116, 118) 및 평행사변형 형상인 측방향 표면(142)(즉, 대향하는 세로 단부 표면들(116 및 118) 사이에 연장되는 면들(faces))을 갖는, 프리즘 형상을 가질 수 있다. 추가의 예로서, 하나의 이러한 실시예에서, 전극 어셈블리(106)는 삼각형 프리즘에 대응하는 형상을 갖고, 전극 어셈블리(106)는 2개의 대향하는 삼각형 세로 단부 표면들(116 및 118) 및 2개의 세로 단부들 사이에 연장되는 3개의 평행사변형(예를 들어, 직사각형)으로 구성되는 측방향 표면(142)을 갖는다. 추가의 예로서, 하나의 이러한 실시예에서, 전극 어셈블리(106)는 직사각형 프리즘에 대응하는 형상을 갖고, 전극 어셈블리(106)는 2개의 대향하는 직사각형 세로 단부 표면(116 및 118), 및 4개의 평행사변형(예를 들어, 직사각형) 면들을 포함하는 측방향 표면(142)을 갖는다. 추가의 예로서, 하나의 이러한 실시예에서, 전극 어셈블리(106)는 오각형 프리즘, 육각형 프리즘 등에 대응하는 형상을 갖고, 여기서 전극 어셈블리(106)는, 각각, 평행사변형(예를 들어, 직사각형) 면들을 5개, 6개 등 포함하는 측방향 표면 및 세로 단부 표면들(116 및 118)에, 각각, 대향하는 2개의 오각형, 육각형 등을 갖는다.
이제 도 5a 내지 도 5h를 참조하면, 전극 어셈블리(106)에 대한 몇몇 예시적인 기하학적 형상들이 개략적으로 도시된다. 보다 구체적으로, 도 5a에서, 전극 어셈블리(106)는 세로 축 AEA를 따라 분리되는 대향하는 제1 및 제2 세로 단부 표면들(116,118), 및 세로 축 AEA에 관한 세로 단부 표면들(116,118)을 접속하는 3개의 직사각형 면들을 포함하는 측방향 표면(142)이 있는 삼각형 프리즘 형상을 갖는다. 도 5b에서, 전극 어셈블리(106)는 세로 축 AEA를 따라 분리되는 대향하는 제1 및 제2 평행사변형 세로 단부 표면들(116,118), 및 이러한 2개의 세로 단부 표면들(116,118)을 접속하고, 세로 축 AEA를 둘러싸는 4개의 평행사변형 형상 면들을 포함하는 측방향 표면(142)이 있는 평행육면체 형상을 갖는다. 도 5c에서, 전극 어셈블리(106)는 세로 축 AEA를 따라 분리되는 대향하는 제1 및 제2 직사각형 세로 단부 표면들(116,118), 및 이러한 2개의 세로 단부 표면들(116,118)을 접속하고 세로 축 AEA를 둘러싸는 4개의 직사각형 면들을 포함하는 측방향 표면(142)이 있는 직사각형 프리즘 형상을 갖는다. 도 5d에서, 전극 어셈블리(106)는 세로 축 AEA를 따라 분리되는 대향하는 제1 및 제2 오각형 세로 단부 표면들(116,118), 및 이러한 2개의 세로 단부 표면들(116,118)을 접속하고 세로 축 AEA를 둘러싸는 5개의 직사각형 면들을 포함하는 측방향 표면(142)이 있는 오각형 프리즘 형상을 갖는다. 도 5e에서, 전극 어셈블리(106)는 세로 축 AEA를 따라 분리되는 대향하는 제1 및 제2 육각형 세로 단부 표면들(116,118), 및 이러한 2개의 세로 단부 표면들(116,118)을 접속하고 세로 축 AEA를 둘러싸는 6개의 직사각형 면들을 포함하는 측방향 표면(142)이 있는 육각형 프리즘 형상을 갖는다. 도 5f에서, 전극 어셈블리는 세로 축 AEA를 따라 분리되는 대향하는 제1 및 제2 정사각형 단부 표면들(116,118), 및 이러한 2개의 세로 단부 표면들(116,118)을 접속하고 세로 축 AEA를 둘러싸는 4개의 사다리꼴 면들을 포함하는 측방향 표면(142)이 있는 정사각형 피라미드 절두체 형상을 갖고, 이러한 사다리꼴 면들은 제1 표면(116)에서의 더 큰 치수로부터 제2 표면(118)에서의 더 작은 치수까지 세로 축을 따라 치수에 있어서 테이퍼링되고, 제2 표면의 크기는 제1 표면의 것보다 작다. 도 5g에서, 전극 어셈블리는 세로 축 AEA를 따라 분리되는 대향하는 제1 및 제2 정사각형 단부 표면들(116,118) 및 이러한 2개의 세로 단부 표면들(116,118)을 접속하고 세로 축 AEA를 둘러싸는 5개의 사다리꼴 면들을 포함하는 측방향 표면(142)이 있는 오각형 피라미드 절두체 형상을 갖고, 이러한 사다리꼴 면들은 제1 표면(116)에서의 더 큰 치수로부터 제2 표면(118)에서의 더 작은 치수까지 세로 축을 따라 치수에 있어서 테이퍼링되고, 제2 표면의 크기는 제1 표면의 것보다 작다. 도 5h에서, 전극 및 상대 전극 구조체들(110, 112)이 세로 축 상의 전극 어셈블리(106)의 중간 쪽으로의 제1 길이로부터 전극 어셈블리(106)의 세로 단부들(117, 119)에서의 제2 길이들까지 감소하는 길이들을 갖는 것에 의해, 전극 어셈블리(106)는 세로 방향으로 피라미드 형상을 갖는다.
전극 제약들
일 실시예에서, 예를 들어 도 1a 및 도 1b에 도시되는 바와 같이, 전극 어셈블리(106)의 전체적인 거시적 성장을 저지하는 전극 제약들의 세트(108)가 제공된다. 전극 제약들의 세트(108)는, 전극 어셈블리(106)의 팽윤 및 변형을 감소시키고 그렇게 함으로써 전극 제약들의 세트(108)를 갖는 에너지 저장 디바이스(100)의 신뢰성 및 사이클링 수명을 개선하기 위해서와 같이, 하나 이상의 치수를 따르는 전극 어셈블리(106)의 성장을 저지할 수 있다. 위에 논의된 바와 같이, 임의의 하나의 특정 이론에 제한되는 것은 아니고, 2차 배터리(102)의 충전 및/또는 방전 동안 애노드 구조체들(110)과 캐소드 구조체들(112) 사이에 이동하는 캐리어 이온들이 애노드 활성 재료에 삽입될 수 있어, 애노드 활성 재료 및/또는 애노드 구조체(110)로 하여금 팽창하게 하는 것이라고 신뢰된다. 애노드 구조체(110)의 이러한 팽창은 전극들 및/또는 전극 어셈블리(106)로 하여금 변형 및 팽윤하게 할 수 있고, 그렇게 함으로써 전극 어셈블리(106)의 구조적 무결성을 훼손시키고, 및/또는 전기적 단락 또는 다른 장애들의 가능성을 증가시킨다. 일 예에서, 에너지 저장 디바이스(100)의 사이클링 동안 애노드 활성 재료 층(132)의 과도한 팽윤 및/또는 팽창 및 수축은 애노드 활성 재료의 단편들로 하여금 애노드 활성 재료 층(132)으로부터 이탈(break away)하게 및/또는 박리(delaminate)하게 할 수 있고, 그렇게 함으로써 에너지 저장 디바이스(100)의 효율 및 사이클링 수명을 훼손시킬 수 있다. 또 다른 예에서, 애노드 활성 재료 층(132)의 과도한 팽윤 및/또는 팽창 및 수축은 애노드 활성 재료로 하여금 전기적 절연 미세다공성 분리기(130)를 침해하게 할 수 있고, 그렇게 함으로써 전극 어셈블리(106)의 전기적 단락 및 다른 장애들을 야기한다. 따라서, 전극 제약들의 세트(108)는 에너지 저장 디바이스(100)의 신뢰성, 효율, 및/또는 사이클링 수명을 개선시키기 위해 충전 상태와 방전 상태 사이의 사이클링으로 달리 발생할 수 있는 이러한 팽윤 또는 성장을 억제한다.
일 실시예에 따르면, 전극 제약들의 세트(108)는 전극 어셈블리(106)의 세로 축(예를 들어, 도 1a 및 도 1b에서의 Y 축)을 따르는 성장 및/또는 팽윤을 저지하는 1차 성장 제약 시스템(151)을 포함한다. 다른 실시예에서, 전극 제약들의 세트(108)는 수직 축(예를 들어, 도 1에서의 Z 축)을 따르는 성장을 저지하는 2차 성장 제약 시스템(152)을 포함할 수 있다. 또 다른 실시예에서, 전극 제약들의 세트(108)는 가로 축(예를 들어, 도 4c에서의 X 축)을 따르는 성장을 저지하는 3차 성장 제약 시스템(155)을 포함할 수 있다. 일 실시예에서, 전극 제약들의 세트(108)는, 세로 및 수직 축(예를 들어, Y 축 및 Z 축)을 따라, 그리고 심지어 세로 축, 수직 축, 및 가로 축(예를 들어, Y 축, Z 축 및 X 축) 모두를 따라서 동시에와 같이, 하나 이상의 방향으로의 성장을 동시에 저지하도록 협력하여 동작하는 1차 성장 및 2차 성장 제약 시스템들(각각, 151, 152), 그리고 심지어 3차 성장 제약 시스템들(155)을 포함한다. 예를 들어, 1차 성장 제약 시스템(151)은 충전 상태와 방전 상태 사이의 사이클링 동안 전극 어셈블리(106)의 적층 방향 D를 따라서 달리 발생할 수 있는 성장을 저지할 수 있고, 한편 2차 성장 제약 시스템(152)은, 수직 방향으로의 전극 어셈블리(106)의 버클링 또는 다른 변형을 방지하도록, 수직 축을 따라 발생할 수 있는 팽윤 및 성장을 저지할 수 있다. 추가의 예로서, 일 실시예에서, 2차 성장 제약 시스템(152)은 1차 성장 제약 시스템(151)에 의해 부과되는 성장에 대한 저지에 의해 달리 악화될 수직 축을 따르는 팽윤 및/또는 팽창을 감소시킬 수 있다. 3차 성장 제약 시스템(155)은 사이클링 프로세스들 동안 발생할 수 있는 가로 축을 따르는 팽윤 및/또는 팽창을 또한 선택적으로 감소시킬 수 있다. 즉, 일 실시예에 따르면, 1차 성장 및 2차 성장 제약 시스템들(각각, 151, 152), 그리고 선택적으로는 3차 성장 제약 시스템(155)은, 전극 어셈블리(106)의 다차원 성장을 협력하여 저지하도록 함께 동작할 수 있다.
도 6a 및 도 6b를 참조하면, 전극 어셈블리(106)에 대한 1차 성장 제약 시스템(151) 및 2차 성장 제약 시스템(152)을 갖는 전극 제약들의 세트(108)의 실시예가 도시된다. 도 6a는, 결과적인 2-D 단면이 수직 축(Z 축) 및 세로 축(Y 축)으로 도시되도록, 세로 축(Y 축)을 따라 취해지는 도 1에서의 전극 어셈블리(106)의 단면을 도시한다. 도 6b는, 결과적인 2-D 단면이 수직 축(Z 축) 및 가로 축(X 축)으로 도시되도록, 가로 축(X 축)을 따라 취해지는 도 1에서의 전극 어셈블리(106)의 단면을 도시한다. 도 6a에 도시되는 바와 같이, 1차 성장 제약 시스템(151)은 세로 방향(Y 축)을 따라 서로 분리되는 제1 및 제2 1차 성장 제약들(각각, 154, 156)을 일반적으로 포함할 수 있다. 예를 들어, 일 실시예에서, 제1 및 제2 1차 성장 제약들(각각, 154, 156)은 전극 어셈블리(106)의 제1 세로 단부 표면(116)을 적어도 부분적으로 또는 심지어 전체적으로 커버하는 제1 1차 성장 제약(154), 및 전극 어셈블리(106)의 제2 세로 단부 표면(118)을 적어도 부분적으로 또는 심지어 전체적으로 커버하는 제2 1차 성장 제약(156)을 포함한다. 또 다른 버전에서, 제1 및 제2 1차 성장 제약들(154, 156) 중 하나 이상은, 1차 성장 제약들 중 하나 이상이 전극 어셈블리(106)의 내부 구조체를 포함할 때와 같이, 전극 어셈블리(106)의 세로 단부(117, 119)의 내부에 있을 수 있다. 1차 성장 제약 시스템(151)은, 제1 및 제2 1차 성장 제약들(154, 156)을 접속시키는, 그리고 세로 방향에 평행한 주축을 가질 수 있는, 적어도 하나의 1차 접속 멤버(162)를 추가로 포함할 수 있다. 예를 들어, 1차 성장 제약 시스템(151)은, 이러한 실시예에 묘사되는 바와 같은 수직 축(Z 축)을 따라서와 같이, 세로 축에 직교하는 축을 따라 서로 분리되는 제1 및 제2 1차 접속 멤버들(각각, 162, 164)을 포함할 수 있다. 제1 및 제2 1차 접속 멤버들(각각, 162, 164)은 제1 및 제2 1차 성장 제약들(각각, 154, 156)을 서로 접속시키는, 그리고, 전극 어셈블리(106)의 세로 축을 따르는 성장을 저지하기 위해, 제1 및 제2 1차 성장 제약들(각각, 154, 156)을 서로 장력을 받도록 유지하는 역할을 할 수 있다.
일 실시예에 따르면, 1차 성장 제약 시스템(151)을 포함하는 전극 제약들의 세트(108)는 2차 배터리의 20개의 연속적인 사이클들에 걸쳐 세로 방향으로의 전극 어셈블리의 페렛 직경에서의 임의의 증가가 충전 상태와 방전 상태 사이에서 20% 미만이도록 세로 방향(즉, 전극 적층 방향, D)으로의 전극 어셈블리(106)의 성장을 저지할 수 있다. 추가의 예로서, 일 실시예에서 1차 성장 제약 시스템(151)은 2차 배터리의 30개의 연속적인 사이클들에 걸쳐 세로 방향으로의 전극 어셈블리의 페렛 직경에서의 임의의 증가가 20% 미만이도록 세로 방향으로의 전극 어셈블리(106)의 성장을 저지할 수 있다. 추가의 예로서, 일 실시예에서 1차 성장 제약 시스템(151)은 2차 배터리의 50개의 연속적인 사이클들에 걸쳐 세로 방향으로의 전극 어셈블리의 페렛 직경에서의 임의의 증가가 20% 미만이도록 세로 방향으로의 전극 어셈블리(106)의 성장을 저지할 수 있다. 추가의 예로서, 일 실시예에서 1차 성장 제약 시스템(151)은 2차 배터리의 80개의 연속적인 사이클들에 걸쳐 세로 방향으로의 전극 어셈블리의 페렛 직경에서의 임의의 증가가 20% 미만이도록 세로 방향으로의 전극 어셈블리(106)의 성장을 저지할 수 있다. 추가의 예로서, 일 실시예에서 1차 성장 제약 시스템(151)은 2차 배터리의 100개의 연속적인 사이클들에 걸쳐 세로 방향으로의 전극 어셈블리의 페렛 직경에서의 임의의 증가가 20% 미만이도록 세로 방향으로의 전극 어셈블리(106)의 성장을 저지할 수 있다. 추가의 예로서, 일 실시예에서 1차 성장 제약 시스템(151)은 2차 배터리의 200개의 연속적인 사이클들에 걸쳐 세로 방향으로의 전극 어셈블리의 페렛 직경에서의 임의의 증가가 20% 미만이도록 세로 방향으로의 전극 어셈블리(106)의 성장을 저지할 수 있다. 추가의 예로서, 일 실시예에서 1차 성장 제약 시스템(151)은 2차 배터리의 300개의 연속적인 사이클들에 걸쳐 세로 방향으로의 전극 어셈블리의 페렛 직경에서의 임의의 증가가 20% 미만이도록 세로 방향으로의 전극 어셈블리(106)의 성장을 저지할 수 있다. 추가의 예로서, 일 실시예에서 1차 성장 제약 시스템(151)은 2차 배터리의 500개의 연속적인 사이클들에 걸쳐 세로 방향으로의 전극 어셈블리의 페렛 직경에서의 임의의 증가가 20% 미만이도록 세로 방향으로의 전극 어셈블리(106)의 성장을 저지할 수 있다. 추가의 예로서, 일 실시예에서 1차 성장 제약 시스템(151)은 2차 배터리의 800개의 연속적인 사이클들에 걸쳐 세로 방향으로의 전극 어셈블리의 페렛 직경에서의 임의의 증가가 20% 미만이도록 세로 방향으로의 전극 어셈블리(106)의 성장을 저지할 수 있다. 추가의 예로서, 일 실시예에서 1차 성장 제약 시스템(151)은 2차 배터리의 1000개의 연속적인 사이클들에 걸쳐 세로 방향으로의 전극 어셈블리의 페렛 직경에서의 임의의 증가가 20% 미만이도록 세로 방향으로의 전극 어셈블리(106)의 성장을 저지할 수 있다. 추가의 예로서, 일 실시예에서 1차 성장 제약 시스템(151)은 2차 배터리의 2000개의 연속적인 사이클들에 걸쳐 세로 방향으로의 전극 어셈블리의 페렛 직경에서의 임의의 증가가 20% 미만이도록 세로 방향으로의 전극 어셈블리(106)의 성장을 저지할 수 있다. 추가의 예로서, 일 실시예에서 1차 성장 제약 시스템(151)은 2차 배터리의 3000개의 연속적인 사이클들에 걸쳐 세로 방향으로의 전극 어셈블리의 페렛 직경에서의 임의의 증가가 20% 미만이도록 세로 방향으로의 전극 어셈블리(106)의 성장을 저지할 수 있다. 추가의 예로서, 일 실시예에서 1차 성장 제약 시스템(151)은 2차 배터리의 5000개의 연속적인 사이클들에 걸쳐 세로 방향으로의 전극 어셈블리의 페렛 직경에서의 임의의 증가가 20% 미만이도록 세로 방향으로의 전극 어셈블리(106)의 성장을 저지할 수 있다. 추가의 예로서, 일 실시예에서 1차 성장 제약 시스템(151)은 2차 배터리의 8000개의 연속적인 사이클들에 걸쳐 세로 방향으로의 전극 어셈블리의 페렛 직경에서의 임의의 증가가 20% 미만이도록 세로 방향으로의 전극 어셈블리(106)의 성장을 저지할 수 있다. 추가의 예로서, 일 실시예에서 1차 성장 제약 시스템(151)은 2차 배터리의 10,000개의 연속적인 사이클들에 걸쳐 세로 방향으로의 전극 어셈블리의 페렛 직경에서의 임의의 증가가 20% 미만이도록 세로 방향으로의 전극 어셈블리(106)의 성장을 저지할 수 있다.
또 다른 실시예에서, 1차 성장 제약 시스템(151)을 포함하는 전극 제약들의 세트(108)는 2차 배터리의 10개의 연속적인 사이클들에 걸쳐 세로 방향으로의 전극 어셈블리의 페렛 직경에서의 임의의 증가가 10% 미만이도록 세로 방향으로의 전극 어셈블리(106)의 성장을 저지할 수 있다. 추가의 예로서, 일 실시예에서 1차 성장 제약 시스템(151)은 2차 배터리의 20개의 연속적인 사이클들에 걸쳐 세로 방향으로의 전극 어셈블리의 페렛 직경에서의 임의의 증가가 10% 미만이도록 세로 방향으로의 전극 어셈블리(106)의 성장을 저지할 수 있다. 추가의 예로서, 일 실시예에서 1차 성장 제약 시스템(151)은 2차 배터리의 30개의 연속적인 사이클들에 걸쳐 세로 방향으로의 전극 어셈블리의 페렛 직경에서의 임의의 증가가 10% 미만이도록 세로 방향으로의 전극 어셈블리(106)의 성장을 저지할 수 있다. 추가의 예로서, 일 실시예에서 1차 성장 제약 시스템(151)은 2차 배터리의 50개의 연속적인 사이클들에 걸쳐 세로 방향으로의 전극 어셈블리의 페렛 직경에서의 임의의 증가가 10% 미만이도록 세로 방향으로의 전극 어셈블리(106)의 성장을 저지할 수 있다. 추가의 예로서, 일 실시예에서 1차 성장 제약 시스템(151)은 2차 배터리의 80개의 연속적인 사이클들에 걸쳐 세로 방향으로의 전극 어셈블리의 페렛 직경에서의 임의의 증가가 10% 미만이도록 세로 방향으로의 전극 어셈블리(106)의 성장을 저지할 수 있다. 추가의 예로서, 일 실시예에서 1차 성장 제약 시스템(151)은 2차 배터리의 100개의 연속적인 사이클들에 걸쳐 세로 방향으로의 전극 어셈블리의 페렛 직경에서의 임의의 증가가 10% 미만이도록 세로 방향으로의 전극 어셈블리(106)의 성장을 저지할 수 있다. 추가의 예로서, 일 실시예에서 1차 성장 제약 시스템(151)은 2차 배터리의 200개의 연속적인 사이클들에 걸쳐 세로 방향으로의 전극 어셈블리의 페렛 직경에서의 임의의 증가가 10% 미만이도록 세로 방향으로의 전극 어셈블리(106)의 성장을 저지할 수 있다. 추가의 예로서, 일 실시예에서 1차 성장 제약 시스템(151)은 2차 배터리의 300개의 연속적인 사이클들에 걸쳐 세로 방향으로의 전극 어셈블리의 페렛 직경에서의 임의의 증가가 10% 미만이도록 세로 방향으로의 전극 어셈블리(106)의 성장을 저지할 수 있다. 추가의 예로서, 일 실시예에서 1차 성장 제약 시스템(151)은 2차 배터리의 500개의 연속적인 사이클들에 걸쳐 세로 방향으로의 전극 어셈블리의 페렛 직경에서의 임의의 증가가 10% 미만이도록 세로 방향으로의 전극 어셈블리(106)의 성장을 저지할 수 있다. 추가의 예로서, 일 실시예에서 1차 성장 제약 시스템(151)은 2차 배터리의 800개의 연속적인 사이클들에 걸쳐 세로 방향으로의 전극 어셈블리의 페렛 직경에서의 임의의 증가가 충전 상태와 방전 상태 사이에서 10% 미만이도록 세로 방향으로의 전극 어셈블리(106)의 성장을 저지할 수 있다. 추가의 예로서, 일 실시예에서 1차 성장 제약 시스템(151)은 2차 배터리의 1000개의 연속적인 사이클들에 걸쳐 세로 방향으로의 전극 어셈블리의 페렛 직경에서의 임의의 증가가 10% 미만이도록 세로 방향으로의 전극 어셈블리(106)의 성장을 저지할 수 있다. 추가의 예로서, 일 실시예에서 1차 성장 제약 시스템(151)은 2000개의 연속적인 사이클들에 걸쳐 세로 방향으로의 전극 어셈블리의 페렛 직경에서의 임의의 증가가 10% 미만이도록 세로 방향으로의 전극 어셈블리(106)의 성장을 저지할 수 있다. 추가의 예로서, 일 실시예에서 1차 성장 제약 시스템(151)은 2차 배터리의 3000개의 연속적인 사이클들에 걸쳐 세로 방향으로의 전극 어셈블리의 페렛 직경에서의 임의의 증가가 10% 미만이도록 세로 방향으로의 전극 어셈블리(106)의 성장을 저지할 수 있다. 추가의 예로서, 일 실시예에서 1차 성장 제약 시스템(151)은 2차 배터리의 5000개의 연속적인 사이클들에 걸쳐 세로 방향으로의 전극 어셈블리의 페렛 직경에서의 임의의 증가가 10% 미만이도록 세로 방향으로의 전극 어셈블리(106)의 성장을 저지할 수 있다. 추가의 예로서, 일 실시예에서 1차 성장 제약 시스템(151)은 2차 배터리의 8000개의 연속적인 사이클들에 걸쳐 세로 방향으로의 전극 어셈블리의 페렛 직경에서의 임의의 증가가 10% 미만이도록 세로 방향으로의 전극 어셈블리(106)의 성장을 저지할 수 있다. 추가의 예로서, 일 실시예에서 1차 성장 제약 시스템(151)은 2차 배터리의 10,000개의 연속적인 사이클들에 걸쳐 세로 방향으로의 전극 어셈블리의 페렛 직경에서의 임의의 증가가 10% 미만이도록 세로 방향으로의 전극 어셈블리(106)의 성장을 저지할 수 있다.
또 다른 실시예에서, 1차 성장 제약 시스템(151)을 포함하는 전극 제약들의 세트(108)는 2차 배터리의 5개의 연속적인 사이클들에 걸쳐 세로 방향으로의 전극 어셈블리의 페렛 직경에서의 임의의 증가가 5% 미만이도록 세로 방향으로의 전극 어셈블리(106)의 성장을 저지할 수 있다. 추가의 예로서, 일 실시예에서 1차 성장 제약 시스템(151)은 2차 배터리의 10개의 연속적인 사이클들에 걸쳐 세로 방향으로의 전극 어셈블리의 페렛 직경에서의 임의의 증가가 5% 미만이도록 세로 방향으로의 전극 어셈블리(106)의 성장을 저지할 수 있다. 추가의 예로서, 일 실시예에서 1차 성장 제약 시스템(151)은 2차 배터리의 20개의 연속적인 사이클들에 걸쳐 세로 방향으로의 전극 어셈블리의 페렛 직경에서의 임의의 증가가 5% 미만이도록 세로 방향으로의 전극 어셈블리(106)의 성장을 저지할 수 있다. 추가의 예로서, 일 실시예에서 1차 성장 제약 시스템(151)은 2차 배터리의 30개의 연속적인 사이클들에 걸쳐 세로 방향으로의 전극 어셈블리의 페렛 직경에서의 임의의 증가가 5% 미만이도록 세로 방향으로의 전극 어셈블리(106)의 성장을 저지할 수 있다. 추가의 예로서, 일 실시예에서 1차 성장 제약 시스템(151)은 2차 배터리의 50개의 연속적인 사이클들에 걸쳐 세로 방향으로의 전극 어셈블리의 페렛 직경에서의 임의의 증가가 5% 미만이도록 세로 방향으로의 전극 어셈블리(106)의 성장을 저지할 수 있다. 추가의 예로서, 일 실시예에서 1차 성장 제약 시스템(151)은 2차 배터리의 80개의 연속적인 사이클들에 걸쳐 세로 방향으로의 전극 어셈블리의 페렛 직경에서의 임의의 증가가 5% 미만이도록 세로 방향으로의 전극 어셈블리(106)의 성장을 저지할 수 있다. 추가의 예로서, 일 실시예에서 1차 성장 제약 시스템(151)은 2차 배터리의 100개의 연속적인 사이클들에 걸쳐 세로 방향으로의 전극 어셈블리의 페렛 직경에서의 임의의 증가가 5 미만이도록 세로 방향으로의 전극 어셈블리(106)의 성장을 저지할 수 있다. 추가의 예로서, 일 실시예에서 1차 성장 제약 시스템(151)은 2차 배터리의 200개의 연속적인 사이클들에 걸쳐 세로 방향으로의 전극 어셈블리의 페렛 직경에서의 임의의 증가가 5% 미만이도록 세로 방향으로의 전극 어셈블리(106)의 성장을 저지할 수 있다. 추가의 예로서, 일 실시예에서 1차 성장 제약 시스템(151)은 2차 배터리의 300개의 연속적인 사이클들에 걸쳐 세로 방향으로의 전극 어셈블리의 페렛 직경에서의 임의의 증가가 5% 미만이도록 세로 방향으로의 전극 어셈블리(106)의 성장을 저지할 수 있다. 추가의 예로서, 일 실시예에서 1차 성장 제약 시스템(151)은 2차 배터리의 500개의 연속적인 사이클들에 걸쳐 세로 방향으로의 전극 어셈블리의 페렛 직경에서의 임의의 증가가 5% 미만이도록 세로 방향으로의 전극 어셈블리(106)의 성장을 저지할 수 있다. 추가의 예로서, 일 실시예에서 1차 성장 제약 시스템(151)은 2차 배터리의 800개의 연속적인 사이클들에 걸쳐 세로 방향으로의 전극 어셈블리의 페렛 직경에서의 임의의 증가가 5% 미만이도록 세로 방향으로의 전극 어셈블리(106)의 성장을 저지할 수 있다. 추가의 예로서, 일 실시예에서 1차 성장 제약 시스템(151)은 2차 배터리의 1000개의 연속적인 사이클들에 걸쳐 세로 방향으로의 전극 어셈블리의 페렛 직경에서의 임의의 증가가 충전 상태와 방전 상태 사이에서 5% 미만이도록 세로 방향으로의 전극 어셈블리(106)의 성장을 저지할 수 있다. 추가의 예로서, 일 실시예에서 1차 성장 제약 시스템(151)은 2차 배터리의 2000개의 연속적인 사이클들에 걸쳐 세로 방향으로의 전극 어셈블리의 페렛 직경에서의 임의의 증가가 충전 상태와 방전 상태 사이에서 5% 미만이도록 세로 방향으로의 전극 어셈블리(106)의 성장을 저지할 수 있다. 추가의 예로서, 일 실시예에서 1차 성장 제약 시스템(151)은 2차 배터리의 3000개의 연속적인 사이클들에 걸쳐 세로 방향으로의 전극 어셈블리의 페렛 직경에서의 임의의 증가가 5% 미만이도록 세로 방향으로의 전극 어셈블리(106)의 성장을 저지할 수 있다. 추가의 예로서, 일 실시예에서 1차 성장 제약 시스템(151)은 2차 배터리의 5000개의 연속적인 사이클들에 걸쳐 세로 방향으로의 전극 어셈블리의 페렛 직경에서의 임의의 증가가 5% 미만이도록 세로 방향으로의 전극 어셈블리(106)의 성장을 저지할 수 있다. 추가의 예로서, 일 실시예에서 1차 성장 제약 시스템(151)은 2차 배터리의 8000개의 연속적인 사이클들에 걸쳐 세로 방향으로의 전극 어셈블리의 페렛 직경에서의 임의의 증가가 5% 미만이도록 세로 방향으로의 전극 어셈블리(106)의 성장을 저지할 수 있다. 추가의 예로서, 일 실시예에서 1차 성장 제약 시스템(151)은 2차 배터리의 10,000개의 연속적인 사이클들에 걸쳐 세로 방향으로의 전극 어셈블리의 페렛 직경에서의 임의의 증가가 5% 미만이도록 세로 방향으로의 전극 어셈블리(106)의 성장을 저지할 수 있다.
또 다른 실시예에서, 1차 성장 제약 시스템(151)을 포함하는 전극 제약들의 세트(108)는 2차 배터리의 사이클 당 세로 방향으로의 전극 어셈블리의 페렛 직경에서의 임의의 증가가 1% 미만이도록 세로 방향으로의 전극 어셈블리(106)의 성장을 저지할 수 있다. 추가의 예로서, 일 실시예에서 1차 성장 제약 시스템(151)은 2차 배터리의 5개의 연속적인 사이클들에 걸쳐 세로 방향으로의 전극 어셈블리의 페렛 직경에서의 임의의 증가가 1% 미만이도록 세로 방향으로의 전극 어셈블리(106)의 성장을 저지할 수 있다. 추가의 예로서, 일 실시예에서 1차 성장 제약 시스템(151)은 2차 배터리의 10개의 연속적인 사이클들에 걸쳐 세로 방향으로의 전극 어셈블리의 페렛 직경에서의 임의의 증가가 1% 미만이도록 세로 방향으로의 전극 어셈블리(106)의 성장을 저지할 수 있다. 추가의 예로서, 일 실시예에서 1차 성장 제약 시스템(151)은 2차 배터리의 20개의 연속적인 사이클들에 걸쳐 세로 방향으로의 전극 어셈블리의 페렛 직경에서의 임의의 증가가 1% 미만이도록 세로 방향으로의 전극 어셈블리(106)의 성장을 저지할 수 있다. 추가의 예로서, 일 실시예에서 1차 성장 제약 시스템(151)은 2차 배터리의 30개의 연속적인 사이클들에 걸쳐 세로 방향으로의 전극 어셈블리의 페렛 직경에서의 임의의 증가가 1% 미만이도록 세로 방향으로의 전극 어셈블리(106)의 성장을 저지할 수 있다. 추가의 예로서, 일 실시예에서 1차 성장 제약 시스템(151)은 2차 배터리의 50개의 연속적인 사이클들에 걸쳐 세로 방향으로의 전극 어셈블리의 페렛 직경에서의 임의의 증가가 1% 미만이도록 세로 방향으로의 전극 어셈블리(106)의 성장을 저지할 수 있다. 추가의 예로서, 일 실시예에서 1차 성장 제약 시스템(151)은 2차 배터리의 80개의 연속적인 사이클들에 걸쳐 세로 방향으로의 전극 어셈블리의 페렛 직경에서의 임의의 증가가 1% 미만이도록 세로 방향으로의 전극 어셈블리(106)의 성장을 저지할 수 있다. 추가의 예로서, 일 실시예에서 1차 성장 제약 시스템(151)은 2차 배터리의 100개의 연속적인 사이클들에 걸쳐 세로 방향으로의 전극 어셈블리의 페렛 직경에서의 임의의 증가가 1% 미만이도록 세로 방향으로의 전극 어셈블리(106)의 성장을 저지할 수 있다. 추가의 예로서, 일 실시예에서 1차 성장 제약 시스템(151)은 2차 배터리의 200개의 연속적인 사이클들에 걸쳐 세로 방향으로의 전극 어셈블리의 페렛 직경에서의 임의의 증가가 1% 미만이도록 세로 방향으로의 전극 어셈블리(106)의 성장을 저지할 수 있다. 추가의 예로서, 일 실시예에서 1차 성장 제약 시스템(151)은 2차 배터리의 300개의 연속적인 사이클들에 걸쳐 세로 방향으로의 전극 어셈블리의 페렛 직경에서의 임의의 증가가 1% 미만이도록 세로 방향으로의 전극 어셈블리(106)의 성장을 저지할 수 있다. 추가의 예로서, 일 실시예에서 1차 성장 제약 시스템(151)은 2차 배터리의 500개의 연속적인 사이클들에 걸쳐 세로 방향으로의 전극 어셈블리의 페렛 직경에서의 임의의 증가가 1% 미만이도록 세로 방향으로의 전극 어셈블리(106)의 성장을 저지할 수 있다. 추가의 예로서, 일 실시예에서 1차 성장 제약 시스템(151)은 2차 배터리의 800개의 연속적인 사이클들에 걸쳐 세로 방향으로의 전극 어셈블리의 페렛 직경에서의 임의의 증가가 1% 미만이도록 세로 방향으로의 전극 어셈블리(106)의 성장을 저지할 수 있다. 추가의 예로서, 일 실시예에서 1차 성장 제약 시스템(151)은 2차 배터리의 1000개의 연속적인 사이클들에 걸쳐 세로 방향으로의 전극 어셈블리의 페렛 직경에서의 임의의 증가가 1% 미만이도록 세로 방향으로의 전극 어셈블리(106)의 성장을 저지할 수 있다. 추가의 예로서, 일 실시예에서 1차 성장 제약 시스템(151)은 2차 배터리의 2000개의 연속적인 사이클들에 걸쳐 세로 방향으로의 전극 어셈블리의 페렛 직경에서의 임의의 증가가 1% 미만이도록 세로 방향으로의 전극 어셈블리(106)의 성장을 저지할 수 있다. 추가의 예로서, 일 실시예에서 1차 성장 제약 시스템(151)은 2차 배터리의 3000개의 연속적인 사이클들에 걸쳐 세로 방향으로의 전극 어셈블리의 페렛 직경에서의 임의의 증가가 1% 미만이도록 세로 방향으로의 전극 어셈블리(106)의 성장을 저지할 수 있다. 추가의 예로서, 일 실시예에서 1차 성장 제약 시스템(151)은 2차 배터리의 5000개의 연속적인 사이클들에 걸쳐 세로 방향으로의 전극 어셈블리의 페렛 직경에서의 임의의 증가가 충전 상태와 방전 상태 사이에서 1% 미만이도록 세로 방향으로의 전극 어셈블리(106)의 성장을 저지할 수 있다. 추가의 예로서, 일 실시예에서 1차 성장 제약 시스템(151)은 2차 배터리의 8000개의 연속적인 사이클들에 걸쳐 세로 방향으로의 전극 어셈블리의 페렛 직경에서의 임의의 증가가 1% 미만이도록 세로 방향으로의 전극 어셈블리(106)의 성장을 저지할 수 있다. 추가의 예로서, 일 실시예에서 1차 성장 제약 시스템(151)은 2차 배터리의 10,000개의 연속적인 사이클들에 걸쳐 세로 방향으로의 전극 어셈블리의 페렛 직경에서의 임의의 증가가 1% 미만이도록 세로 방향으로의 전극 어셈블리(106)의 성장을 저지할 수 있다.
충전 상태에 의하면 2차 배터리(102)가, 자신의 정격 용량의 적어도 80%과 같은, 자신의 정격 용량의 적어도 75%, 그리고 심지어, 자신의 정격 용량의 적어도 95%, 그리고 심지어 자신의 정격 용량의 100%와 같은, 자신의 정격 용량의 적어도 90%로 충전된다는 점이 의미된다. 방전 상태에 의하면 2차 배터리가, 자신의 정격 용량의 20% 미만과 같은, 자신의 정격 용량의 25% 미만, 그리고 심지어, 자신의 정격 용량의 5% 미만, 그리고 심지어 자신의 정격 용량의 0%와 같은, 10% 미만으로 방전된다는 점이 의미된다. 또한, 2차 배터리(102)의 실제 용량은 시간에 걸쳐 그리고 배터리가 겪은 사이클들의 수에 따라 달라질 수 있다는 점이 주목되어야 한다. 즉, 2차 배터리(102)가 초기에는 자신의 정격 용량에 가까운 실제 측정 용량을 나타낼 수 있지만, 배터리의 실제 용량은 시간에 걸쳐 감소할 것이고, 실제 용량이 충전 상태로부터 방전 상태로 가면서 측정되는 바와 같이 정격 용량의 80% 아래로 떨어질 때 2차 배터리(102)는 자신의 수명을 다한 것으로 고려된다.
도 6a 및 도 6b에 추가로 도시되는 바와 같이, 전극 제약들의 세트(108)는, 도시되는 바와 같은 실시예에서 수직 축(Z 축)을 따라서와 같이, 세로 방향에 직교하는 제2 방향을 따라 서로 분리되는 제1 및 제2 2차 성장 제약들(각각, 158, 160)을 일반적으로 포함할 수 있는 2차 성장 제약 시스템(152)을 추가로 포함할 수 있다. 예를 들어, 일 실시예에서, 제1 2차 성장 제약(158)은 전극 어셈블리(106)의 측방향 표면(142)의 제1 영역(148)을 가로질러 적어도 부분적으로 연장되고, 제2 2차 성장 제약(160)은 제1 영역(148)에 반대인 전극 어셈블리(106)의 측방향 표면(142)의 제2 영역(150)을 가로질러 적어도 부분적으로 연장된다. 또 다른 버전에서, 제1 및 제2 2차 성장 제약들(154, 156) 중 하나 이상은, 2차 성장 제약들 중 하나 이상이 전극 어셈블리(106)의 내부 구조체를 포함할 때와 같이, 전극 어셈블리(106)의 측방향 표면(142) 내부에 있을 수 있다. 일 실시예에서, 제1 및 제2 2차 성장 제약들(각각, 158, 160)은, 수직 축과 같은, 제2 방향에 평행한 주축을 가질 수 있는, 적어도 하나의 2차 접속 멤버(166)에 의해 접속된다. 2차 접속 멤버(166)는, 예를 들어, 수직 방향으로의(예를 들어, Z 축을 따르는) 성장을 저지하기 위해서와 같이, 세로 방향에 직교하는 방향을 따르는 전극 어셈블리(106)의 성장을 저지하기 위해, 제1 및 제2 2차 성장 제약들(각각, 158, 160)을 접속시켜 서로 장력을 받도록 유지하는 역할을 할 수 있다. 도 6a에 묘사되는 실시예에서, 적어도 하나의 2차 접속 멤버(166)는 제1 및 제2 1차 성장 제약들(154, 156) 중 적어도 하나에 대응할 수 있다. 그러나, 2차 접속 멤버(166)가 이에 제한되는 것은 아니고, 대안적으로 및/또는 추가적으로 다른 구조체들 및/또는 구성들을 포함할 수 있다.
일 실시예에 따르면, 2차 성장 제약 시스템(152)을 포함하는 제약들의 세트는, 2차 배터리의 20개의 연속적인 사이클들에 걸쳐 제2 방향으로의 전극 어셈블리의 페렛 직경에서의 임의의 증가가 20% 미만이도록, 수직 방향(Z 축)과 같은, 세로 방향에 직교하는 제2 방향으로의 전극 어셈블리(106)의 성장을 저지할 수 있다. 추가의 예로서, 일 실시예에서 2차 성장 제약 시스템(152)은 2차 배터리의 30개의 연속적인 사이클들에 걸쳐 제2 방향으로의 전극 어셈블리의 페렛 직경에서의 임의의 증가가 20% 미만이도록 제2 방향으로의 전극 어셈블리(106)의 성장을 저지할 수 있다. 추가의 예로서, 일 실시예에서 2차 성장 제약 시스템(152)은 2차 배터리의 50개의 연속적인 사이클들에 걸쳐 제2 방향으로의 전극 어셈블리의 페렛 직경에서의 임의의 증가가 20% 미만이도록 제2 방향으로의 전극 어셈블리(106)의 성장을 저지할 수 있다. 추가의 예로서, 일 실시예에서 2차 성장 제약 시스템(152)은 2차 배터리의 80개의 연속적인 사이클들에 걸쳐 제2 방향으로의 전극 어셈블리의 페렛 직경에서의 임의의 증가가 20% 미만이도록 제2 방향으로의 전극 어셈블리(106)의 성장을 저지할 수 있다. 추가의 예로서, 일 실시예에서 2차 성장 제약 시스템(152)은 2차 배터리의 100개의 연속적인 사이클들에 걸쳐 제2 방향으로의 전극 어셈블리의 페렛 직경에서의 임의의 증가가 20% 미만이도록 제2 방향으로의 전극 어셈블리(106)의 성장을 저지할 수 있다. 추가의 예로서, 일 실시예에서 2차 성장 제약 시스템(152)은 2차 배터리의 200개의 연속적인 사이클들에 걸쳐 제2 방향으로의 전극 어셈블리의 페렛 직경에서의 임의의 증가가 20% 미만이도록 제2 방향으로의 전극 어셈블리(106)의 성장을 저지할 수 있다. 추가의 예로서, 일 실시예에서 2차 성장 제약 시스템(152)은 2차 배터리의 300개의 연속적인 사이클들에 걸쳐 제2 방향으로의 전극 어셈블리의 페렛 직경에서의 임의의 증가가 20% 미만이도록 제2 방향으로의 전극 어셈블리(106)의 성장을 저지할 수 있다. 추가의 예로서, 일 실시예에서 2차 성장 제약 시스템(152)은 2차 배터리의 500개의 연속적인 사이클들에 걸쳐 제2 방향으로의 전극 어셈블리의 페렛 직경에서의 임의의 증가가 20% 미만이도록 제2 방향으로의 전극 어셈블리(106)의 성장을 저지할 수 있다. 추가의 예로서, 일 실시예에서 2차 성장 제약 시스템(152)은 2차 배터리의 800개의 연속적인 사이클들에 걸쳐 제2 방향으로의 전극 어셈블리의 페렛 직경에서의 임의의 증가가 20% 미만이도록 제2 방향으로의 전극 어셈블리(106)의 성장을 저지할 수 있다. 추가의 예로서, 일 실시예에서 2차 성장 제약 시스템(152)은 2차 배터리의 1000개의 연속적인 사이클들에 걸쳐 제2 방향으로의 전극 어셈블리의 페렛 직경에서의 임의의 증가가 20% 미만이도록 제2 방향으로의 전극 어셈블리(106)의 성장을 저지할 수 있다. 추가의 예로서, 일 실시예에서 2차 성장 제약 시스템(151)은 2차 배터리의 2000개의 연속적인 사이클들에 걸쳐 제2 방향으로의 전극 어셈블리의 페렛 직경에서의 임의의 증가가 20% 미만이도록 제2 방향으로의 전극 어셈블리(106)의 성장을 저지할 수 있다. 추가의 예로서, 일 실시예에서 2차 성장 제약 시스템(152)은 2차 배터리의 3000개의 연속적인 사이클들에 걸쳐 제2 방향으로의 전극 어셈블리의 페렛 직경에서의 임의의 증가가 20% 미만이도록 제2 방향으로의 전극 어셈블리(106)의 성장을 저지할 수 있다. 추가의 예로서, 일 실시예에서 2차 성장 제약 시스템(152)은 2차 배터리의 5000개의 연속적인 사이클들에 걸쳐 제2 방향으로의 전극 어셈블리의 페렛 직경에서의 임의의 증가가 20% 미만이도록 제2 방향으로의 전극 어셈블리(106)의 성장을 저지할 수 있다. 추가의 예로서, 일 실시예에서 2차 성장 제약 시스템(152)은 2차 배터리의 8000개의 연속적인 사이클들에 걸쳐 제2 방향으로의 전극 어셈블리의 페렛 직경에서의 임의의 증가가 20% 미만이도록 제2 방향으로의 전극 어셈블리(106)의 성장을 저지할 수 있다. 추가의 예로서, 일 실시예에서 2차 성장 제약 시스템(151)은 2차 배터리의 10,000개의 연속적인 사이클들에 걸쳐 제2 방향으로의 전극 어셈블리의 페렛 직경에서의 임의의 증가가 충전 상태와 방전 상태 사이에서 20% 미만이도록 제2 방향으로의 전극 어셈블리(106)의 성장을 저지할 수 있다.
실시예에서, 2차 성장 제약 시스템(152)을 포함하는 제약들의 세트는 2차 배터리의 10개의 연속적인 사이클들에 걸쳐 제2 방향으로의 전극 어셈블리의 페렛 직경에서의 임의의 증가가 충전 상태와 방전 상태 사이에서 10% 미만이도록 제2 방향으로의 전극 어셈블리(106)의 성장을 저지할 수 있다. 추가의 예로서, 일 실시예에서 2차 성장 제약 시스템(152)은 2차 배터리의 20개의 연속적인 사이클들에 걸쳐 제2 방향으로의 전극 어셈블리의 페렛 직경에서의 임의의 증가가 10% 미만이도록 제2 방향으로의 전극 어셈블리(106)의 성장을 저지할 수 있다. 추가의 예로서, 일 실시예에서 2차 성장 제약 시스템(152)은 2차 배터리의 30개의 연속적인 사이클들에 걸쳐 제2 방향으로의 전극 어셈블리의 페렛 직경에서의 임의의 증가가 10% 미만이도록 제2 방향으로의 전극 어셈블리(106)의 성장을 저지할 수 있다. 추가의 예로서, 일 실시예에서 2차 성장 제약 시스템(152)은 2차 배터리의 50개의 연속적인 사이클들에 걸쳐 제2 방향으로의 전극 어셈블리의 페렛 직경에서의 임의의 증가가 10% 미만이도록 제2 방향으로의 전극 어셈블리(106)의 성장을 저지할 수 있다. 추가의 예로서, 일 실시예에서 2차 성장 제약 시스템(152)은 2차 배터리의 80개의 연속적인 사이클들에 걸쳐 제2 방향으로의 전극 어셈블리의 페렛 직경에서의 임의의 증가가 10% 미만이도록 제2 방향으로의 전극 어셈블리(106)의 성장을 저지할 수 있다. 추가의 예로서, 일 실시예에서 2차 성장 제약 시스템(152)은 2차 배터리의 100개의 연속적인 사이클들에 걸쳐 제2 방향으로의 전극 어셈블리의 페렛 직경에서의 임의의 증가가 10% 미만이도록 제2 방향으로의 전극 어셈블리(106)의 성장을 저지할 수 있다. 추가의 예로서, 일 실시예에서 2차 성장 제약 시스템(152)은 2차 배터리의 200개의 연속적인 사이클들에 걸쳐 제2 방향으로의 전극 어셈블리의 페렛 직경에서의 임의의 증가가 10% 미만이도록 제2 방향으로의 전극 어셈블리(106)의 성장을 저지할 수 있다. 추가의 예로서, 일 실시예에서 2차 성장 제약 시스템(152)은 2차 배터리의 300개의 연속적인 사이클들에 걸쳐 제2 방향으로의 전극 어셈블리의 페렛 직경에서의 임의의 증가가 10% 미만이도록 제2 방향으로의 전극 어셈블리(106)의 성장을 저지할 수 있다. 추가의 예로서, 일 실시예에서 2차 성장 제약 시스템(152)은 2차 배터리의 500개의 연속적인 사이클들에 걸쳐 제2 방향으로의 전극 어셈블리의 페렛 직경에서의 임의의 증가가 10% 미만이도록 제2 방향으로의 전극 어셈블리(106)의 성장을 저지할 수 있다. 추가의 예로서, 일 실시예에서 2차 성장 제약 시스템(152)은 2차 배터리의 800개의 연속적인 사이클들에 걸쳐 제2 방향으로의 전극 어셈블리의 페렛 직경에서의 임의의 증가가 10% 미만이도록 제2 방향으로의 전극 어셈블리(106)의 성장을 저지할 수 있다. 추가의 예로서, 일 실시예에서 2차 성장 제약 시스템(152)은 2차 배터리의 1000개의 연속적인 사이클들에 걸쳐 제2 방향으로의 전극 어셈블리의 페렛 직경에서의 임의의 증가가 10% 미만이도록 제2 방향으로의 전극 어셈블리(106)의 성장을 저지할 수 있다. 추가의 예로서, 일 실시예에서 2차 성장 제약 시스템(151)은 2차 배터리의 2000개의 연속적인 사이클들에 걸쳐 제2 방향으로의 전극 어셈블리의 페렛 직경에서의 임의의 증가가 10% 미만이도록 제2 방향으로의 전극 어셈블리(106)의 성장을 저지할 수 있다. 추가의 예로서, 일 실시예에서 2차 성장 제약 시스템(152)은 2차 배터리의 3000개의 연속적인 사이클들에 걸쳐 제2 방향으로의 전극 어셈블리의 페렛 직경에서의 임의의 증가가 10% 미만이도록 제2 방향으로의 전극 어셈블리(106)의 성장을 저지할 수 있다. 추가의 예로서, 일 실시예에서 2차 성장 제약 시스템(152)은 2차 배터리의 5000개의 연속적인 사이클들에 걸쳐 제2 방향으로의 전극 어셈블리의 페렛 직경에서의 임의의 증가가 10% 미만이도록 제2 방향으로의 전극 어셈블리(106)의 성장을 저지할 수 있다. 추가의 예로서, 일 실시예에서 2차 성장 제약 시스템(152)은 2차 배터리의 8000개의 연속적인 사이클들에 걸쳐 제2 방향으로의 전극 어셈블리의 페렛 직경에서의 임의의 증가가 10% 미만이도록 제2 방향으로의 전극 어셈블리(106)의 성장을 저지할 수 있다. 추가의 예로서, 일 실시예에서 2차 성장 제약 시스템(151)은 2차 배터리의 10,000개의 연속적인 사이클들에 걸쳐 제2 방향으로의 전극 어셈블리의 페렛 직경에서의 임의의 증가가 10% 미만이도록 제2 방향으로의 전극 어셈블리(106)의 성장을 저지할 수 있다.
실시예에서, 2차 성장 제약 시스템(152)을 포함하는 제약들의 세트는 2차 배터리의 5개의 연속적인 사이클들에 걸쳐 제2 방향으로의 전극 어셈블리의 페렛 직경에서의 임의의 증가가 충전 상태와 방전 상태 사이에서 5% 미만이도록 제2 방향으로의 전극 어셈블리(106)의 성장을 저지할 수 있다. 추가의 예로서, 일 실시예에서 2차 성장 제약 시스템(152)은 2차 배터리의 10개의 연속적인 사이클들에 걸쳐 제2 방향으로의 전극 어셈블리의 페렛 직경에서의 임의의 증가가 5% 미만이도록 제2 방향으로의 전극 어셈블리(106)의 성장을 저지할 수 있다. 추가의 예로서, 일 실시예에서 2차 성장 제약 시스템(152)은 2차 배터리의 20개의 연속적인 사이클들에 걸쳐 제2 방향으로의 전극 어셈블리의 페렛 직경에서의 임의의 증가가 5% 미만이도록 제2 방향으로의 전극 어셈블리(106)의 성장을 저지할 수 있다. 추가의 예로서, 일 실시예에서 2차 성장 제약 시스템(152)은 2차 배터리의 30개의 연속적인 사이클들에 걸쳐 제2 방향으로의 전극 어셈블리의 페렛 직경에서의 임의의 증가가 5% 미만이도록 제2 방향으로의 전극 어셈블리(106)의 성장을 저지할 수 있다. 추가의 예로서, 일 실시예에서 2차 성장 제약 시스템(152)은 2차 배터리의 50개의 연속적인 사이클들에 걸쳐 제2 방향으로의 전극 어셈블리의 페렛 직경에서의 임의의 증가가 5% 미만이도록 제2 방향으로의 전극 어셈블리(106)의 성장을 저지할 수 있다. 추가의 예로서, 일 실시예에서 2차 성장 제약 시스템(152)은 2차 배터리의 80개의 연속적인 사이클들에 걸쳐 제2 방향으로의 전극 어셈블리의 페렛 직경에서의 임의의 증가가 5% 미만이도록 제2 방향으로의 전극 어셈블리(106)의 성장을 저지할 수 있다. 추가의 예로서, 일 실시예에서 2차 성장 제약 시스템(152)은 2차 배터리의 100개의 연속적인 사이클들에 걸쳐 제2 방향으로의 전극 어셈블리의 페렛 직경에서의 임의의 증가가 5% 미만이도록 제2 방향으로의 전극 어셈블리(106)의 성장을 저지할 수 있다. 추가의 예로서, 일 실시예에서 2차 성장 제약 시스템(152)은 2차 배터리의 200개의 연속적인 사이클들에 걸쳐 제2 방향으로의 전극 어셈블리의 페렛 직경에서의 임의의 증가가 5% 미만이도록 제2 방향으로의 전극 어셈블리(106)의 성장을 저지할 수 있다. 추가의 예로서, 일 실시예에서 2차 성장 제약 시스템(152)은 2차 배터리의 300개의 연속적인 사이클들에 걸쳐 제2 방향으로의 전극 어셈블리의 페렛 직경에서의 임의의 증가가 5% 미만이도록 제2 방향으로의 전극 어셈블리(106)의 성장을 저지할 수 있다. 추가의 예로서, 일 실시예에서 2차 성장 제약 시스템(152)은 2차 배터리의 500개의 연속적인 사이클들에 걸쳐 제2 방향으로의 전극 어셈블리의 페렛 직경에서의 임의의 증가가 5% 미만이도록 제2 방향으로의 전극 어셈블리(106)의 성장을 저지할 수 있다. 추가의 예로서, 일 실시예에서 2차 성장 제약 시스템(152)은 2차 배터리의 800개의 연속적인 사이클들에 걸쳐 제2 방향으로의 전극 어셈블리의 페렛 직경에서의 임의의 증가가 5% 미만이도록 제2 방향으로의 전극 어셈블리(106)의 성장을 저지할 수 있다. 추가의 예로서, 일 실시예에서 2차 성장 제약 시스템(152)은 2차 배터리의 1000개의 연속적인 사이클들에 걸쳐 제2 방향으로의 전극 어셈블리의 페렛 직경에서의 임의의 증가가 5% 미만이도록 제2 방향으로의 전극 어셈블리(106)의 성장을 저지할 수 있다. 추가의 예로서, 일 실시예에서 2차 성장 제약 시스템(151)은 2차 배터리의 2000개의 연속적인 사이클들에 걸쳐 제2 방향으로의 전극 어셈블리의 페렛 직경에서의 임의의 증가가 5% 미만이도록 제2 방향으로의 전극 어셈블리(106)의 성장을 저지할 수 있다. 추가의 예로서, 일 실시예에서 2차 성장 제약 시스템(152)은 2차 배터리의 3000개의 연속적인 사이클들에 걸쳐 제2 방향으로의 전극 어셈블리의 페렛 직경에서의 임의의 증가가 5% 미만이도록 제2 방향으로의 전극 어셈블리(106)의 성장을 저지할 수 있다. 추가의 예로서, 일 실시예에서 2차 성장 제약 시스템(152)은 2차 배터리의 5000개의 연속적인 사이클들에 걸쳐 제2 방향으로의 전극 어셈블리의 페렛 직경에서의 임의의 증가가 5% 미만이도록 제2 방향으로의 전극 어셈블리(106)의 성장을 저지할 수 있다. 추가의 예로서, 일 실시예에서 2차 성장 제약 시스템(152)은 2차 배터리의 8000개의 연속적인 사이클들에 걸쳐 제2 방향으로의 전극 어셈블리의 페렛 직경에서의 임의의 증가가 5% 미만이도록 제2 방향으로의 전극 어셈블리(106)의 성장을 저지할 수 있다. 추가의 예로서, 일 실시예에서 2차 성장 제약 시스템(151)은 2차 배터리의 10,000개의 연속적인 사이클들에 걸쳐 제2 방향으로의 전극 어셈블리의 페렛 직경에서의 임의의 증가가 5% 미만이도록 제2 방향으로의 전극 어셈블리(106)의 성장을 저지할 수 있다.
실시예에서, 2차 성장 제약 시스템(152)을 포함하는 제약들의 세트는 2차 배터리의 사이클 당 제2 방향으로의 전극 어셈블리의 페렛 직경에서의 임의의 증가가 1% 미만이도록 제2 방향으로의 전극 어셈블리(106)의 성장을 저지할 수 있다. 추가의 예로서, 일 실시예에서 2차 성장 제약 시스템(152)은 2차 배터리의 5개의 연속적인 사이클들에 걸쳐 제2 방향으로의 전극 어셈블리의 페렛 직경에서의 임의의 증가가 1% 미만이도록 제2 방향으로의 전극 어셈블리(106)의 성장을 저지할 수 있다. 추가의 예로서, 일 실시예에서 2차 성장 제약 시스템(152)은 2차 배터리의 10개의 연속적인 사이클들에 걸쳐 제2 방향으로의 전극 어셈블리의 페렛 직경에서의 임의의 증가가 1% 미만이도록 제2 방향으로의 전극 어셈블리(106)의 성장을 저지할 수 있다. 추가의 예로서, 일 실시예에서 2차 성장 제약 시스템(152)은 2차 배터리의 20개의 연속적인 사이클들에 걸쳐 제2 방향으로의 전극 어셈블리의 페렛 직경에서의 임의의 증가가 1% 미만이도록 제2 방향으로의 전극 어셈블리(106)의 성장을 저지할 수 있다. 추가의 예로서, 일 실시예에서 2차 성장 제약 시스템(152)은 2차 배터리의 30개의 연속적인 사이클들에 걸쳐 제2 방향으로의 전극 어셈블리의 페렛 직경에서의 임의의 증가가 1% 미만이도록 제2 방향으로의 전극 어셈블리(106)의 성장을 저지할 수 있다. 추가의 예로서, 일 실시예에서 2차 성장 제약 시스템(152)은 2차 배터리의 50개의 연속적인 사이클들에 걸쳐 제2 방향으로의 전극 어셈블리의 페렛 직경에서의 임의의 증가가 1% 미만이도록 제2 방향으로의 전극 어셈블리(106)의 성장을 저지할 수 있다. 추가의 예로서, 일 실시예에서 2차 성장 제약 시스템(152)은 2차 배터리의 80개의 연속적인 사이클들에 걸쳐 제2 방향으로의 전극 어셈블리의 페렛 직경에서의 임의의 증가가 1% 미만이도록 제2 방향으로의 전극 어셈블리(106)의 성장을 저지할 수 있다. 추가의 예로서, 일 실시예에서 2차 성장 제약 시스템(152)은 2차 배터리의 100개의 연속적인 사이클들에 걸쳐 제2 방향으로의 전극 어셈블리의 페렛 직경에서의 임의의 증가가 1% 미만이도록 제2 방향으로의 전극 어셈블리(106)의 성장을 저지할 수 있다. 추가의 예로서, 일 실시예에서 2차 성장 제약 시스템(152)은 2차 배터리의 200개의 연속적인 사이클들에 걸쳐 제2 방향으로의 전극 어셈블리의 페렛 직경에서의 임의의 증가가 1% 미만이도록 제2 방향으로의 전극 어셈블리(106)의 성장을 저지할 수 있다. 추가의 예로서, 일 실시예에서 2차 성장 제약 시스템(152)은 2차 배터리의 300개의 연속적인 사이클들에 걸쳐 제2 방향으로의 전극 어셈블리의 페렛 직경에서의 임의의 증가가 1% 미만이도록 제2 방향으로의 전극 어셈블리(106)의 성장을 저지할 수 있다. 추가의 예로서, 일 실시예에서 2차 성장 제약 시스템(152)은 2차 배터리의 500개의 연속적인 사이클들에 걸쳐 제2 방향으로의 전극 어셈블리의 페렛 직경에서의 임의의 증가가 1% 미만이도록 제2 방향으로의 전극 어셈블리(106)의 성장을 저지할 수 있다. 추가의 예로서, 일 실시예에서 2차 성장 제약 시스템(152)은 2차 배터리의 800개의 연속적인 사이클들에 걸쳐 제2 방향으로의 전극 어셈블리의 페렛 직경에서의 임의의 증가가 1% 미만이도록 제2 방향으로의 전극 어셈블리(106)의 성장을 저지할 수 있다. 추가의 예로서, 일 실시예에서 2차 성장 제약 시스템(152)은 2차 배터리의 1000개의 연속적인 사이클들에 걸쳐 제2 방향으로의 전극 어셈블리의 페렛 직경에서의 임의의 증가가 1% 미만이도록 제2 방향으로의 전극 어셈블리(106)의 성장을 저지할 수 있다. 추가의 예로서, 일 실시예에서 2차 성장 제약 시스템(151)은 2차 배터리의 2000개의 연속적인 사이클들에 걸쳐 제2 방향으로의 전극 어셈블리의 페렛 직경에서의 임의의 증가가 1% 미만이도록 제2 방향으로의 전극 어셈블리(106)의 성장을 저지할 수 있다. 추가의 예로서, 일 실시예에서 2차 성장 제약 시스템(152)은 2차 배터리의 3000개의 연속적인 사이클들에 걸쳐 제2 방향으로의 전극 어셈블리의 페렛 직경에서의 임의의 증가가 충전 상태와 방전 상태 사이에서 1% 미만이도록 제2 방향으로의 전극 어셈블리(106)의 성장을 저지할 수 있다. 추가의 예로서, 일 실시예에서 2차 성장 제약 시스템(152)은 2차 배터리의 5000개의 연속적인 사이클들에 걸쳐 제2 방향으로의 전극 어셈블리의 페렛 직경에서의 임의의 증가가 1% 미만이도록 제2 방향으로의 전극 어셈블리(106)의 성장을 저지할 수 있다. 추가의 예로서, 일 실시예에서 2차 성장 제약 시스템(152)은 2차 배터리의 8000개의 연속적인 사이클들에 걸쳐 제2 방향으로의 전극 어셈블리의 페렛 직경에서의 임의의 증가가 1% 미만이도록 제2 방향으로의 전극 어셈블리(106)의 성장을 저지할 수 있다. 추가의 예로서, 일 실시예에서 2차 성장 제약 시스템(151)은 2차 배터리의 10,000개의 연속적인 사이클들에 걸쳐 제2 방향으로의 전극 어셈블리의 페렛 직경에서의 임의의 증가가 1% 미만이도록 제2 방향으로의 전극 어셈블리(106)의 성장을 저지할 수 있다.
도 6c는, 가로 방향(X 방향)과 같은, 세로 및 제2 방향들에 직교하는 제3 방향으로의 전극 어셈블리의 성장을 제약하는 3차 성장 제약 시스템(155)을 추가로 포함하는 전극 제약들의 세트(108)의 일 실시예를 도시한다. 3차 성장 제약 시스템(155)은, 3개의 치수들에서의 전극 어셈블리(106)의 전체적인 성장을 제약하도록, 1차 및 2차 성장 제약 시스템들(각각, 151, 152)에 추가적으로 제공될 수 있고, 및/또는 2개의 치수들에서의 전극 어셈블리(106)의 전체적인 성장을 제약하도록, 1차 또는 2차 성장 제약 시스템들(각각, 151, 152) 중 하나와 조합하여 제공될 수 있다. 도 6c는, 결과적인 2-D 단면이 수직 축(Z 축) 및 가로 축(X 축)으로 도시되도록, 가로 축(X 축)을 따라 취해지는 도 1a에서의 전극 어셈블리(106)의 단면을 도시한다. 도 6c에 도시되는 바와 같이, 3차 성장 제약 시스템(155)은 가로 방향(X 축)과 같은 제3 방향을 따라 서로 분리되는 제1 및 제2 3차 성장 제약들(각각, 157, 159)을 일반적으로 포함할 수 있다. 예를 들어, 일 실시예에서, 제1 3차 성장 제약(157)은 전극 어셈블리(106)의 측방향 표면(142)의 제1 영역(144)을 가로질러 적어도 부분적으로 연장되고, 제2 3차 성장 제약(159)은 가로 방향으로 제1 영역(144)에 반대인 전극 어셈블리(106)의 측방향 표면(142)의 제2 영역(146)을 가로질러 적어도 부분적으로 연장된다. 또 다른 버전에서, 제1 및 제2 3차 성장 제약들(157, 159) 중 하나 이상은, 3차 성장 제약들 중 하나 이상이 전극 어셈블리(106)의 내부 구조체를 포함할 때와 같이, 전극 어셈블리(106)의 측방향 표면(142) 내부에 있을 수 있다. 일 실시예에서, 제1 및 제2 3차 성장 제약들(각각, 157, 159)은, 제3 방향에 평행한 주축을 가질 수 있는, 적어도 하나의 3차 접속 멤버(165)에 의해 접속된다. 3차 접속 멤버(165)는, 세로 방향에 직교하는 방향을 따르는 전극 어셈블리(106)의 성장을 저지하기 위해, 예를 들어, 가로 방향으로의(예를 들어, X 축을 따르는) 성장을 저지하기 위해, 제1 및 제2 3차 성장 제약들(각각, 157, 159)을 접속시켜 서로 장력을 받도록 유지하는 역할을 할 수 있다. 도 6c에 묘사되는 실시예에서, 적어도 하나의 3차 접속 멤버(165)는 제1 및 제2 2차 성장 제약들(158, 160) 중 적어도 하나에 대응할 수 있다. 그러나, 3차 접속 멤버(165)가 이에 제한되는 것은 아니고, 대안적으로 및/또는 추가적으로 다른 구조체들 및/또는 구성들을 포함할 수 있다. 예를 들어, 적어도 하나의 3차 접속 멤버(165)는, 일 실시예에서, 제1 및 제2 1차 성장 제약들(154, 156) 중 적어도 하나에 대응할 수 있다(도시되지 않음).
일 실시예에 따르면, 3차 성장 제약 시스템(155)을 갖는 제약들의 세트는, 2차 배터리의 20개의 연속적인 사이클들에 걸쳐 제3 방향으로의 전극 어셈블리의 페렛 직경에서의 임의의 증가가 20% 미만이도록, 가로 방향(X 축)과 같은, 세로 방향에 직교하는 제3 방향으로의 전극 어셈블리(106)의 성장을 저지할 수 있다. 추가의 예로서, 일 실시예에서 3차 성장 제약 시스템(155)은 2차 배터리의 30개의 연속적인 사이클들에 걸쳐 제3 방향으로의 전극 어셈블리의 페렛 직경에서의 임의의 증가가 20% 미만이도록 제3 방향으로의 전극 어셈블리(106)의 성장을 저지할 수 있다. 추가의 예로서, 일 실시예에서 3차 성장 제약 시스템(155)은 2차 배터리의 50개의 연속적인 사이클들에 걸쳐 제3 방향으로의 전극 어셈블리의 페렛 직경에서의 임의의 증가가 20% 미만이도록 제3 방향으로의 전극 어셈블리(106)의 성장을 저지할 수 있다. 추가의 예로서, 일 실시예에서 3차 성장 제약 시스템(155)은 2차 배터리의 80개의 연속적인 사이클들에 걸쳐 제3 방향으로의 전극 어셈블리의 페렛 직경에서의 임의의 증가가 20% 미만이도록 제3 방향으로의 전극 어셈블리(106)의 성장을 저지할 수 있다. 추가의 예로서, 일 실시예에서 3차 성장 제약 시스템(155)은 2차 배터리의 100개의 연속적인 사이클들에 걸쳐 제3 방향으로의 전극 어셈블리의 페렛 직경에서의 임의의 증가가 20% 미만이도록 제3 방향으로의 전극 어셈블리(106)의 성장을 저지할 수 있다. 추가의 예로서, 일 실시예에서 3차 성장 제약 시스템(155)은 2차 배터리의 200개의 연속적인 사이클들에 걸쳐 제3 방향으로의 전극 어셈블리의 페렛 직경에서의 임의의 증가가 20% 미만이도록 제3 방향으로의 전극 어셈블리(106)의 성장을 저지할 수 있다. 추가의 예로서, 일 실시예에서 3차 성장 제약 시스템(155)은 2차 배터리의 300개의 연속적인 사이클들에 걸쳐 제3 방향으로의 전극 어셈블리의 페렛 직경에서의 임의의 증가가 20% 미만이도록 제3 방향으로의 전극 어셈블리(106)의 성장을 저지할 수 있다. 추가의 예로서, 일 실시예에서 3차 성장 제약 시스템(155)은 2차 배터리의 500개의 연속적인 사이클들에 걸쳐 제3 방향으로의 전극 어셈블리의 페렛 직경에서의 임의의 증가가 20% 미만이도록 제3 방향으로의 전극 어셈블리(106)의 성장을 저지할 수 있다. 추가의 예로서, 일 실시예에서 3차 성장 제약 시스템(152)은 2차 배터리의 800개의 연속적인 사이클들에 걸쳐 제3 방향으로의 전극 어셈블리의 페렛 직경에서의 임의의 증가가 20% 미만이도록 제3 방향으로의 전극 어셈블리(106)의 성장을 저지할 수 있다. 추가의 예로서, 일 실시예에서 3차 성장 제약 시스템(155)은 2차 배터리의 1000개의 연속적인 사이클들에 걸쳐 제3 방향으로의 전극 어셈블리의 페렛 직경에서의 임의의 증가가 20% 미만이도록 제3 방향으로의 전극 어셈블리(106)의 성장을 저지할 수 있다. 추가의 예로서, 일 실시예에서 3차 성장 제약 시스템(155)은 2차 배터리의 2000개의 연속적인 사이클들에 걸쳐 제3 방향으로의 전극 어셈블리의 페렛 직경에서의 임의의 증가가 20% 미만이도록 제3 방향으로의 전극 어셈블리(106)의 성장을 저지할 수 있다. 추가의 예로서, 일 실시예에서 3차 성장 제약 시스템(155)은 2차 배터리의 3000개의 연속적인 사이클들에 걸쳐 제3 방향으로의 전극 어셈블리의 페렛 직경에서의 임의의 증가가 20% 미만이도록 제3 방향으로의 전극 어셈블리(106)의 성장을 저지할 수 있다. 추가의 예로서, 일 실시예에서 3차 성장 제약 시스템(155)은 2차 배터리의 5000개의 연속적인 사이클들에 걸쳐 제3 방향으로의 전극 어셈블리의 페렛 직경에서의 임의의 증가가 20% 미만이도록 제3 방향으로의 전극 어셈블리(106)의 성장을 저지할 수 있다. 추가의 예로서, 일 실시예에서 3차 성장 제약 시스템(155)은 2차 배터리의 8000개의 연속적인 사이클들에 걸쳐 제3 방향으로의 전극 어셈블리의 페렛 직경에서의 임의의 증가가 20% 미만이도록 제3 방향으로의 전극 어셈블리(106)의 성장을 저지할 수 있다. 추가의 예로서, 일 실시예에서 3차 성장 제약 시스템(155)은 2차 배터리의 10,000개의 연속적인 사이클들에 걸쳐 제3 방향으로의 전극 어셈블리의 페렛 직경에서의 임의의 증가가 20% 미만이도록 제3 방향으로의 전극 어셈블리(106)의 성장을 저지할 수 있다.
일 실시예에서, 3차 성장 제약 시스템(155)을 갖는 제약들의 세트는 2차 배터리의 10개의 연속적인 사이클들에 걸쳐 제3 방향으로의 전극 어셈블리의 페렛 직경에서의 임의의 증가가 10% 미만이도록 제3 방향으로의 전극 어셈블리(106)의 성장을 저지할 수 있다. 추가의 예로서, 일 실시예에서 3차 성장 제약 시스템(155)은 2차 배터리의 20개의 연속적인 사이클들에 걸쳐 제3 방향으로의 전극 어셈블리의 페렛 직경에서의 임의의 증가가 10% 미만이도록 제3 방향으로의 전극 어셈블리(106)의 성장을 저지할 수 있다. 추가의 예로서, 일 실시예에서 3차 성장 제약 시스템(155)은 2차 배터리의 30개의 연속적인 사이클들에 걸쳐 제3 방향으로의 전극 어셈블리의 페렛 직경에서의 임의의 증가가 10% 미만이도록 제3 방향으로의 전극 어셈블리(106)의 성장을 저지할 수 있다. 추가의 예로서, 일 실시예에서 3차 성장 제약 시스템(155)은 2차 배터리의 50개의 연속적인 사이클들에 걸쳐 제3 방향으로의 전극 어셈블리의 페렛 직경에서의 임의의 증가가 10% 미만이도록 제3 방향으로의 전극 어셈블리(106)의 성장을 저지할 수 있다. 추가의 예로서, 일 실시예에서 3차 성장 제약 시스템(155)은 2차 배터리의 80개의 연속적인 사이클들에 걸쳐 제3 방향으로의 전극 어셈블리의 페렛 직경에서의 임의의 증가가 10% 미만이도록 제3 방향으로의 전극 어셈블리(106)의 성장을 저지할 수 있다. 추가의 예로서, 일 실시예에서 3차 성장 제약 시스템(155)은 2차 배터리의 100개의 연속적인 사이클들에 걸쳐 제3 방향으로의 전극 어셈블리의 페렛 직경에서의 임의의 증가가 10% 미만이도록 제3 방향으로의 전극 어셈블리(106)의 성장을 저지할 수 있다. 추가의 예로서, 일 실시예에서 3차 성장 제약 시스템(155)은 2차 배터리의 200개의 연속적인 사이클들에 걸쳐 제3 방향으로의 전극 어셈블리의 페렛 직경에서의 임의의 증가가 10% 미만이도록 제3 방향으로의 전극 어셈블리(106)의 성장을 저지할 수 있다. 추가의 예로서, 일 실시예에서 3차 성장 제약 시스템(155)은 2차 배터리의 300개의 연속적인 사이클들에 걸쳐 제3 방향으로의 전극 어셈블리의 페렛 직경에서의 임의의 증가가 10% 미만이도록 제3 방향으로의 전극 어셈블리(106)의 성장을 저지할 수 있다. 추가의 예로서, 일 실시예에서 3차 성장 제약 시스템(155)은 2차 배터리의 500개의 연속적인 사이클들에 걸쳐 제3 방향으로의 전극 어셈블리의 페렛 직경에서의 임의의 증가가 10% 미만이도록 제3 방향으로의 전극 어셈블리(106)의 성장을 저지할 수 있다. 추가의 예로서, 일 실시예에서 3차 성장 제약 시스템(152)은 2차 배터리의 800개의 연속적인 사이클들에 걸쳐 제3 방향으로의 전극 어셈블리의 페렛 직경에서의 임의의 증가가 10% 미만이도록 제3 방향으로의 전극 어셈블리(106)의 성장을 저지할 수 있다. 추가의 예로서, 일 실시예에서 3차 성장 제약 시스템(155)은 2차 배터리의 1000개의 연속적인 사이클들에 걸쳐 제3 방향으로의 전극 어셈블리의 페렛 직경에서의 임의의 증가가 10% 미만이도록 제3 방향으로의 전극 어셈블리(106)의 성장을 저지할 수 있다. 추가의 예로서, 일 실시예에서 3차 성장 제약 시스템(155)은 2차 배터리의 2000개의 연속적인 사이클들에 걸쳐 제3 방향으로의 전극 어셈블리의 페렛 직경에서의 임의의 증가가 10% 미만이도록 제3 방향으로의 전극 어셈블리(106)의 성장을 저지할 수 있다. 추가의 예로서, 일 실시예에서 3차 성장 제약 시스템(155)은 2차 배터리의 3000개의 연속적인 사이클들에 걸쳐 제3 방향으로의 전극 어셈블리의 페렛 직경에서의 임의의 증가가 10% 미만이도록 제3 방향으로의 전극 어셈블리(106)의 성장을 저지할 수 있다. 추가의 예로서, 일 실시예에서 3차 성장 제약 시스템(155)은 2차 배터리의 5000개의 연속적인 사이클들에 걸쳐 제3 방향으로의 전극 어셈블리의 페렛 직경에서의 임의의 증가가 충전 상태와 방전 상태 사이에서 10% 미만이도록 제3 방향으로의 전극 어셈블리(106)의 성장을 저지할 수 있다. 추가의 예로서, 일 실시예에서 3차 성장 제약 시스템(155)은 2차 배터리의 8000개의 연속적인 사이클들에 걸쳐 제3 방향으로의 전극 어셈블리의 페렛 직경에서의 임의의 증가가 10% 미만이도록 제3 방향으로의 전극 어셈블리(106)의 성장을 저지할 수 있다. 추가의 예로서, 일 실시예에서 3차 성장 제약 시스템(155)은 2차 배터리의 10,000개의 연속적인 사이클들에 걸쳐 제3 방향으로의 전극 어셈블리의 페렛 직경에서의 임의의 증가가 10% 미만이도록 제3 방향으로의 전극 어셈블리(106)의 성장을 저지할 수 있다.
일 실시예에서, 3차 성장 제약 시스템(155)을 갖는 제약들의 세트는 2차 배터리의 5개의 연속적인 사이클들에 걸쳐 제3 방향으로의 전극 어셈블리의 페렛 직경에서의 임의의 증가가 5% 미만이도록 제3 방향으로의 전극 어셈블리(106)의 성장을 저지할 수 있다. 추가의 예로서, 일 실시예에서 3차 성장 제약 시스템(155)은 2차 배터리의 10개의 연속적인 사이클들에 걸쳐 제3 방향으로의 전극 어셈블리의 페렛 직경에서의 임의의 증가가 5% 미만이도록 제3 방향으로의 전극 어셈블리(106)의 성장을 저지할 수 있다. 추가의 예로서, 일 실시예에서 3차 성장 제약 시스템(155)은 2차 배터리의 20개의 연속적인 사이클들에 걸쳐 제3 방향으로의 전극 어셈블리의 페렛 직경에서의 임의의 증가가 5% 미만이도록 제3 방향으로의 전극 어셈블리(106)의 성장을 저지할 수 있다. 추가의 예로서, 일 실시예에서 3차 성장 제약 시스템(155)은 2차 배터리의 30개의 연속적인 사이클들에 걸쳐 제3 방향으로의 전극 어셈블리의 페렛 직경에서의 임의의 증가가 5% 미만이도록 제3 방향으로의 전극 어셈블리(106)의 성장을 저지할 수 있다. 추가의 예로서, 일 실시예에서 3차 성장 제약 시스템(155)은 2차 배터리의 50개의 연속적인 사이클들에 걸쳐 제3 방향으로의 전극 어셈블리의 페렛 직경에서의 임의의 증가가 5% 미만이도록 제3 방향으로의 전극 어셈블리(106)의 성장을 저지할 수 있다. 추가의 예로서, 일 실시예에서 3차 성장 제약 시스템(155)은 2차 배터리의 80개의 연속적인 사이클들에 걸쳐 제3 방향으로의 전극 어셈블리의 페렛 직경에서의 임의의 증가가 5% 미만이도록 제3 방향으로의 전극 어셈블리(106)의 성장을 저지할 수 있다. 추가의 예로서, 일 실시예에서 3차 성장 제약 시스템(155)은 2차 배터리의 100개의 연속적인 사이클들에 걸쳐 제3 방향으로의 전극 어셈블리의 페렛 직경에서의 임의의 증가가 5% 미만이도록 제3 방향으로의 전극 어셈블리(106)의 성장을 저지할 수 있다. 추가의 예로서, 일 실시예에서 3차 성장 제약 시스템(155)은 2차 배터리의 200개의 연속적인 사이클들에 걸쳐 제3 방향으로의 전극 어셈블리의 페렛 직경에서의 임의의 증가가 5% 미만이도록 제3 방향으로의 전극 어셈블리(106)의 성장을 저지할 수 있다. 추가의 예로서, 일 실시예에서 3차 성장 제약 시스템(155)은 2차 배터리의 300개의 연속적인 사이클들에 걸쳐 제3 방향으로의 전극 어셈블리의 페렛 직경에서의 임의의 증가가 5% 미만이도록 제3 방향으로의 전극 어셈블리(106)의 성장을 저지할 수 있다. 추가의 예로서, 일 실시예에서 3차 성장 제약 시스템(155)은 2차 배터리의 500개의 연속적인 사이클들에 걸쳐 제3 방향으로의 전극 어셈블리의 페렛 직경에서의 임의의 증가가 5% 미만이도록 제3 방향으로의 전극 어셈블리(106)의 성장을 저지할 수 있다. 추가의 예로서, 일 실시예에서 3차 성장 제약 시스템(152)은 2차 배터리의 800개의 연속적인 사이클들에 걸쳐 제3 방향으로의 전극 어셈블리의 페렛 직경에서의 임의의 증가가 5% 미만이도록 제3 방향으로의 전극 어셈블리(106)의 성장을 저지할 수 있다. 추가의 예로서, 일 실시예에서 3차 성장 제약 시스템(155)은 2차 배터리의 1000개의 연속적인 사이클들에 걸쳐 제3 방향으로의 전극 어셈블리의 페렛 직경에서의 임의의 증가가 5% 미만이도록 제3 방향으로의 전극 어셈블리(106)의 성장을 저지할 수 있다. 추가의 예로서, 일 실시예에서 3차 성장 제약 시스템(155)은 2차 배터리의 2000개의 연속적인 사이클들에 걸쳐 제3 방향으로의 전극 어셈블리의 페렛 직경에서의 임의의 증가가 5% 미만이도록 제3 방향으로의 전극 어셈블리(106)의 성장을 저지할 수 있다. 추가의 예로서, 일 실시예에서 3차 성장 제약 시스템(155)은 2차 배터리의 3000개의 연속적인 사이클들에 걸쳐 제3 방향으로의 전극 어셈블리의 페렛 직경에서의 임의의 증가가 5% 미만이도록 제3 방향으로의 전극 어셈블리(106)의 성장을 저지할 수 있다. 추가의 예로서, 일 실시예에서 3차 성장 제약 시스템(155)은 2차 배터리의 5000개의 연속적인 사이클들에 걸쳐 제3 방향으로의 전극 어셈블리의 페렛 직경에서의 임의의 증가가 5% 미만이도록 제3 방향으로의 전극 어셈블리(106)의 성장을 저지할 수 있다. 추가의 예로서, 일 실시예에서 3차 성장 제약 시스템(155)은 2차 배터리의 8000개의 연속적인 사이클들에 걸쳐 제3 방향으로의 전극 어셈블리의 페렛 직경에서의 임의의 증가가 5% 미만이도록 제3 방향으로의 전극 어셈블리(106)의 성장을 저지할 수 있다. 추가의 예로서, 일 실시예에서 3차 성장 제약 시스템(155)은 2차 배터리의 10,000개의 연속적인 사이클들에 걸쳐 제3 방향으로의 전극 어셈블리의 페렛 직경에서의 임의의 증가가 5% 미만이도록 제3 방향으로의 전극 어셈블리(106)의 성장을 저지할 수 있다.
일 실시예에서, 3차 성장 제약 시스템(155)을 갖는 제약들의 세트는 2차 배터리의 사이클 당 제3 방향으로의 전극 어셈블리의 페렛 직경에서의 임의의 증가가 1% 미만이도록 제3 방향으로의 전극 어셈블리(106)의 성장을 저지할 수 있다. 추가의 예로서, 일 실시예에서 3차 성장 제약 시스템(155)은 2차 배터리의 5개의 연속적인 사이클들에 걸쳐 제3 방향으로의 전극 어셈블리의 페렛 직경에서의 임의의 증가가 1% 미만이도록 제3 방향으로의 전극 어셈블리(106)의 성장을 저지할 수 있다. 추가의 예로서, 일 실시예에서 3차 성장 제약 시스템(155)은 2차 배터리의 10개의 연속적인 사이클들에 걸쳐 제3 방향으로의 전극 어셈블리의 페렛 직경에서의 임의의 증가가 1% 미만이도록 제3 방향으로의 전극 어셈블리(106)의 성장을 저지할 수 있다. 추가의 예로서, 일 실시예에서 3차 성장 제약 시스템(155)은 2차 배터리의 20개의 연속적인 사이클들에 걸쳐 제3 방향으로의 전극 어셈블리의 페렛 직경에서의 임의의 증가가 1% 미만이도록 제3 방향으로의 전극 어셈블리(106)의 성장을 저지할 수 있다. 추가의 예로서, 일 실시예에서 3차 성장 제약 시스템(155)은 2차 배터리의 30개의 연속적인 사이클들에 걸쳐 제3 방향으로의 전극 어셈블리의 페렛 직경에서의 임의의 증가가 1% 미만이도록 제3 방향으로의 전극 어셈블리(106)의 성장을 저지할 수 있다. 추가의 예로서, 일 실시예에서 3차 성장 제약 시스템(155)은 2차 배터리의 50개의 연속적인 사이클들에 걸쳐 제3 방향으로의 전극 어셈블리의 페렛 직경에서의 임의의 증가가 5% 미만이도록 제3 방향으로의 전극 어셈블리(106)의 성장을 저지할 수 있다. 추가의 예로서, 일 실시예에서 3차 성장 제약 시스템(155)은 2차 배터리의 80개의 연속적인 사이클들에 걸쳐 제3 방향으로의 전극 어셈블리의 페렛 직경에서의 임의의 증가가 1% 미만이도록 제3 방향으로의 전극 어셈블리(106)의 성장을 저지할 수 있다. 추가의 예로서, 일 실시예에서 3차 성장 제약 시스템(155)은 2차 배터리의 100개의 연속적인 사이클들에 걸쳐 제3 방향으로의 전극 어셈블리의 페렛 직경에서의 임의의 증가가 1% 미만이도록 제3 방향으로의 전극 어셈블리(106)의 성장을 저지할 수 있다. 추가의 예로서, 일 실시예에서 3차 성장 제약 시스템(155)은 2차 배터리의 200개의 연속적인 사이클들에 걸쳐 제3 방향으로의 전극 어셈블리의 페렛 직경에서의 임의의 증가가 1% 미만이도록 제3 방향으로의 전극 어셈블리(106)의 성장을 저지할 수 있다. 추가의 예로서, 일 실시예에서 3차 성장 제약 시스템(155)은 2차 배터리의 300개의 연속적인 사이클들에 걸쳐 제3 방향으로의 전극 어셈블리의 페렛 직경에서의 임의의 증가가 1% 미만이도록 제3 방향으로의 전극 어셈블리(106)의 성장을 저지할 수 있다. 추가의 예로서, 일 실시예에서 3차 성장 제약 시스템(155)은 2차 배터리의 500개의 연속적인 사이클들에 걸쳐 제3 방향으로의 전극 어셈블리의 페렛 직경에서의 임의의 증가가 1% 미만이도록 제3 방향으로의 전극 어셈블리(106)의 성장을 저지할 수 있다. 추가의 예로서, 일 실시예에서 3차 성장 제약 시스템(152)은 2차 배터리의 800개의 연속적인 사이클들에 걸쳐 제3 방향으로의 전극 어셈블리의 페렛 직경에서의 임의의 증가가 1% 미만이도록 제3 방향으로의 전극 어셈블리(106)의 성장을 저지할 수 있다. 추가의 예로서, 일 실시예에서 3차 성장 제약 시스템(155)은 2차 배터리의 1000개의 연속적인 사이클들에 걸쳐 제3 방향으로의 전극 어셈블리의 페렛 직경에서의 임의의 증가가 충전 상태와 방전 상태 사이에서 1% 미만이도록 제3 방향으로의 전극 어셈블리(106)의 성장을 저지할 수 있다. 추가의 예로서, 일 실시예에서 3차 성장 제약 시스템(155)은 2차 배터리의 2000개의 연속적인 사이클들에 걸쳐 제3 방향으로의 전극 어셈블리의 페렛 직경에서의 임의의 증가가 1% 미만이도록 제3 방향으로의 전극 어셈블리(106)의 성장을 저지할 수 있다. 추가의 예로서, 일 실시예에서 3차 성장 제약 시스템(155)은 2차 배터리의 3000개의 연속적인 사이클들에 걸쳐 제3 방향으로의 전극 어셈블리의 페렛 직경에서의 임의의 증가가 1% 미만이도록 제3 방향으로의 전극 어셈블리(106)의 성장을 저지할 수 있다. 추가의 예로서, 일 실시예에서 3차 성장 제약 시스템(155)은 2차 배터리의 5000개의 연속적인 사이클들에 걸쳐 제3 방향으로의 전극 어셈블리의 페렛 직경에서의 임의의 증가가 1% 미만이도록 제3 방향으로의 전극 어셈블리(106)의 성장을 저지할 수 있다. 추가의 예로서, 일 실시예에서 3차 성장 제약 시스템(155)은 2차 배터리의 8000개의 연속적인 사이클들에 걸쳐 제3 방향으로의 전극 어셈블리의 페렛 직경에서의 임의의 증가가 1% 미만이도록 제3 방향으로의 전극 어셈블리(106)의 성장을 저지할 수 있다. 추가의 예로서, 일 실시예에서 3차 성장 제약 시스템(155)은 2차 배터리의 10,000개의 연속적인 사이클들에 걸쳐 제3 방향으로의 전극 어셈블리의 페렛 직경에서의 임의의 증가가 1% 미만이도록 제3 방향으로의 전극 어셈블리(106)의 성장을 저지할 수 있다.
일 실시예에 따르면, 1차 및 2차 성장 제약 시스템들(각각, 151, 152) 및 선택적으로 3차 성장 제약 시스템(155)은, 1차 성장 제약 시스템(151)의 부분들이 2차 성장 제약 시스템(152)의 부분으로서 협력하여 작용하고, 및/또는 2차 성장 제약 시스템(152)의 부분들이 1차 성장 제약 시스템(151)의 부분으로서 협력하여 작용하고, 1차 및/또는 2차 성장 제약 시스템들(각각, 151, 152) 중 임의의 것의 부분들이 3차 성장 제약 시스템의 부분으로서 협력하여 또한 작용할 수 있고, 그리고 그 반대도 가능하도록, 협력하여 동작하도록 구성된다. 예를 들어, 도 6a 및 도 6b에 도시되는 실시예에서, 1차 성장 제약 시스템(151)의 제1 및 제2 1차 접속 멤버들(각각, 162, 164)은 세로 방향에 직교하는 제2 방향으로의 성장을 제약하는 제1 및 제2 2차 성장 제약들(158, 160)의 적어도 일부분으로서, 또는 심지어 이들의 전체 구조체로서 역할을 할 수 있다. 또 다른 실시예에서, 위에 언급된 바와 같이, 제1 및 제2 1차 성장 제약들(각각, 154, 156) 중 하나 이상은 제1 및 제2 2차 성장 제약들(각각, 158, 160)을 접속시키는 하나 이상의 2차 접속 멤버(166)로서 역할을 할 수 있다. 반대로, 제1 및 제2 2차 성장 제약들(각각, 158, 160)의 적어도 일부분이 1차 성장 제약 시스템(151)의 제1 및 제2 1차 접속 멤버들(각각, 162, 164)로서 작용할 수 있고, 2차 성장 제약 시스템(152)의 적어도 하나의 2차 접속 멤버(166)는, 일 실시예에서, 제1 및 제2 1차 성장 제약들(각각, 154, 156) 중 하나 이상으로서 작용할 수 있다. 또 다른 실시예에서, 1차 성장 제약 시스템(151)의 제1 및 제2 1차 접속 멤버들(각각, 162, 164), 및/또는 2차 성장 제약 시스템(152)의 적어도 하나의 2차 접속 멤버(166)의 적어도 일부분은 세로 방향에 직교하는 가로 방향으로의 성장을 제약하는 제1 및 제2 3차 성장 제약들(각각, 157, 159)의 적어도 일부분으로서, 또는 심지어 이들의 전체 구조체로서 역할을 할 수 있다. 또 다른 실시예에서, 제1 및 제2 1차 성장 제약들(각각, 154, 156), 및/또는 제1 및 제2 2차 성장 제약들(각각, 158, 160) 중 하나 이상은 제1 및 제2 3차 성장 제약들(각각, 157, 159)을 접속시키는 하나 이상의 3차 접속 멤버들(166)로서 역할을 할 수 있다. 반대로, 제1 및 제2 3차 성장 제약들(각각, 157, 159)의 적어도 일부분이 1차 성장 제약 시스템(151)의 제1 및 제2 1차 접속 멤버들(각각, 162, 164), 및/또는 2차 성장 제약 시스템(152)의 적어도 하나의 2차 접속 멤버(166)로서 작용할 수 있고, 3차 성장 제약 시스템(155)의 적어도 하나의 3차 접속 멤버(165)는 일 실시예에서 제1 및 제2 1차 성장 제약들(각각, 154, 156) 중 하나 이상, 및/또는 제1 및 제2 2차 성장 제약들(각각, 158, 160) 중 하나 이상으로서 작용할 수 있다. 대안적으로 및/또는 추가적으로, 1차 및/또는 2차 및/또는 3차 성장 제약들은 전극 어셈블리(106)의 성장을 저지하도록 협력하는 다른 구조체들을 포함할 수 있다. 따라서, 1차 및 2차 성장 제약 시스템들(각각, 151, 152), 및 선택적으로 3차 성장 제약 시스템(155)은 전극 어셈블리(106)의 성장에 대한 저지를 행사하는 컴포넌트들 및/또는 구조체들을 공유할 수 있다.
일 실시예에서, 전극 제약들의 세트(108)는, 배터리 인클로저(104) 외부에 및/또는 내부에 있거나, 또는 배터리 인클로저(104) 자체의 부분일 수 있는 구조체들인, 1차 및 2차 접속 멤버들, 및 1차 및 2차 성장 제약들 같은 구조체들을 포함할 수 있다. 예를 들어, 전극 제약들의 세트(108)는 배터리 인클로저(104)는 물론 다른 구조적 컴포넌트들을 포함하는 구조체들의 조합을 포함할 수 있다. 하나의 이러한 실시예에서, 배터리 인클로저(104)는 1차 성장 제약 시스템(151) 및/또는 2차 성장 제약 시스템(152)의 컴포넌트일 수 있고; 상이하게 언급하면, 일 실시예에서, 배터리 인클로저(104)는, 단독으로 또는 하나 이상의 다른 구조체(배터리 인클로저(104) 내의 및/또는 외부의, 예를 들어, 1차 성장 제약 시스템(151) 및/또는 2차 성장 제약 시스템(152))와 조합하여, 전극 적층 방향 D으로의 및/또는 적층 방향 D에 직교하는 제2 방향으로의 전극 어셈블리(106)의 성장을 저지한다. 예를 들어, 1차 성장 제약들(154, 156) 및 2차 성장 제약들(158, 160) 중 하나 이상은 전극 어셈블리 내부에 있는 구조체를 포함할 수 있다. 다른 실시예에서, 1차 성장 제약 시스템(151) 및/또는 2차 성장 제약 시스템(152)은 배터리 인클로저(104)를 포함하지 않고, 그 대신에 배터리 인클로저(104) 이외의 (배터리 인클로저(104) 내의 및/또는 외부의) 하나 이상의 개별 구조체가 전극 적층 방향 D로의, 및/또는 적층 방향 D에 직교하는 제2 방향으로의 전극 어셈블리(106)의 성장을 저지한다. 전극 어셈블리(106)는 전극 어셈블리(106)를 갖는 2차 배터리 또는 에너지 저장 디바이스(100) 의 반복 사이클링 동안 전극 어셈블리(106)의 성장 및/또는 팽윤에 의해 행사되는 압력 초과인 압력으로 전극 제약들의 세트(108)에 의해 저지될 수 있다.
하나의 예시적인 실시예에서, 1차 성장 제약 시스템(151)은 전극 어셈블리(106)의 부분으로서 애노드 구조체(110)를 갖는 2차 배터리(102)의 반복 사이클링 시에 적층 방향 D로 애노드 구조체(110)에 의해 생성되는 압력을 초과하는 압력을 행사하는 것에 의해 적층 방향 D로의 애노드 구조체(110)의 성장을 저지하는 배터리 인클로저(104) 내의 하나 이상의 개별 구조체(들)를 포함한다. 다른 예시적인 실시예에서, 1차 성장 제약 시스템(151)은 전극 어셈블리(106)의 부분으로서 캐소드 구조체(112)를 갖는 2차 배터리(102)의 반복 사이클링 시에 적층 방향 D로 애노드 구조체(112)에 의해 생성되는 압력을 초과하는 적층 방향 D로의 압력을 행사하는 것에 의해 적층 방향 D로의 캐소드 구조체(112)의 성장을 저지하는 배터리 인클로저(104) 내의 하나 이상의 개별 구조체를 포함한다. 2차 성장 제약 시스템(152)은, 유사하게, 애노드 또는 캐소드 구조체들(각각, 110, 112)을 갖는 2차 배터리(102)의 반복 사이클링 시에 제2 방향으로 애노드 또는 구조체(각각, 110, 112)에 의해 생성되는 압력을 초과하는 제2 방향으로의 압력을 행사하는 것에 의해, 수직 축(Z 축)을 따라서와 같이, 적층 방향 D에 직교하는 제2 방향으로의 애노드 구조체들(110) 및 캐소드 구조체들(112) 중 적어도 하나의 성장을 저지하는 배터리 인클로저(104) 내의 하나 이상의 개별 구조체를 포함할 수 있다.
또 다른 실시예에서, 1차 성장 제약 시스템(151)의 제1 및 제2 1차 성장 제약들(각각, 154, 156)은, 가로 축 및/또는 수직 축을 따르는 전극 어셈블리(106)의 측방향 표면(142)의 대향하는 제1 및 제2 영역들과 같은, 세로 방향에 직교하는 방향으로 있을 전극 어셈블리(106)의 다른 표면들 상에 제1 및 제2 1차 성장 제약들(154, 156)에 의해 행사되는 압력을 초과하는 압력을, 세로 방향으로의를, 의미하는, 전극 어셈블리(106)의 제1 및 제2 세로 단부 표면들(116, 118) 상에 행사하는 것에 의해 전극 어셈블리(106)의 성장을 저지한다. 즉, 제1 및 제2 1차 성장 제약들(154, 156)은, 가로(X 축) 방향 및 수직(Z 축) 방향과 같은, 이에 직교하는 방향들로 그렇게 함으로써 생성되는 압력을 초과하는 압력을 세로 방향(Y 축)으로 행사할 수 있다. 예를 들어, 하나의 이러한 실시예에서, 1차 성장 제약 시스템(151)은 적층 방향 D에 수직인 2개의 방향들 중 적어도 하나, 또는 심지어 양자 모두로 1차 성장 제약 시스템(151)에 의해 전극 어셈블리(106) 상에 유지되는 압력을 적어도 3배 초과하는 제1 및 제2 세로 단부 표면들(116, 118) 상의 (즉, 적층 방향 D로의) 압력으로 전극 어셈블리(106)의 성장을 저지한다. 추가의 예로서, 하나의 이러한 실시예에서, 1차 성장 제약 시스템(151)은 적층 방향 D에 수직인 2개의 방향들 중 적어도 하나, 또는 심지어 양자 모두로 1차 성장 제약 시스템(151)에 의해 전극 어셈블리(106) 상에 유지되는 압력을 적어도 4배 초과하는 제1 및 제2 세로 단부 표면들(116, 118) 상의 (즉, 적층 방향 D로의) 압력으로 전극 어셈블리(106)의 성장을 저지한다. 추가의 예로서, 하나의 이러한 실시예에서, 1차 성장 제약 시스템(151)은 적층 방향 D에 수직인 2개의 방향들 중 적어도 하나, 또는 심지어 양자 모두로 전극 어셈블리(106) 상에 유지되는 압력을 적어도 5배 초과하는 제1 및 제2 세로 단부 표면들(116, 118) 상의 (즉, 적층 방향 D로의) 압력으로 전극 어셈블리(106)의 성장을 저지한다.
유사하게, 일 실시예에서, 1차 성장 제약 시스템(151)의 제1 및 제2 2차 성장 제약들(각각, 158, 160)은, 제2 방향에 직교하는 방향으로 있을 전극 어셈블리(106)의 다른 표면들 상에 제1 및 제2 2차 성장 제약들(각각, 158, 160)에 의해 행사되는 압력을 초과하는 압력을, (즉, 수직 방향으로) 수직 축을 따르는 제1 및 제2 대향하는 표면 영역들(각각, 148, 150)과 같은, 세로 방향에 직교하는 제2 방향으로 전극 어셈블리(106)의 측방향 표면(142)의 제1 및 제2 대향하는 영역들 상에 행사하는 것에 의해 전극 어셈블리(106)의 성장을 저지한다. 즉, 제1 및 제2 2차 성장 제약들(각각, 158, 160)은, 가로(X 축) 방향 및 세로(Y 축) 방향과 같은, 이에 직교하는 방향들로 그렇게 함으로써 생성되는 압력을 초과하는 압력을 수직 방향(Z 축)으로 행사할 수 있다. 예를 들어, 하나의 이러한 실시예에서, 2차 성장 제약 시스템(152)은, 이에 수직인 2개의 방향들 중 적어도 하나, 또는 심지어 양자 모두로 2차 성장 제약 시스템(152)에 의해 전극 어셈블리(106) 상에 유지되는 압력을 적어도 3배 초과하는 대향하는 제1 및 제2 대향하는 표면 영역들(각각, 148, 150) 상의 (즉, 수직 방향으로의) 압력으로 전극 어셈블리(106)의 성장을 저지한다. 추가의 예로서, 하나의 이러한 실시예에서, 2차 성장 제약 시스템(152)은 이에 수직인 2개의 방향들 중 적어도 하나, 또는 심지어 양자 모두로 2차 성장 제약 시스템(152)에 의해 전극 어셈블리(106) 상에 유지되는 압력을 적어도 4배 초과하는 제1 및 제2 대향하는 표면 영역들(각각, 148, 150) 상의 (즉, 수직 방향으로의) 압력으로 전극 어셈블리(106)의 성장을 저지한다. 추가의 예로서, 하나의 이러한 실시예에서, 2차 성장 제약 시스템(152)은 이에 수직인 2개의 방향들 중 적어도 하나, 또는 심지어 양자 모두로 전극 어셈블리(106) 상에 유지되는 압력을 적어도 5배 초과하는 제1 및 제2 대향하는 표면 영역들(각각, 148, 150) 상의 (즉, 수직 방향으로의) 압력으로 전극 어셈블리(106)의 성장을 저지한다.
또 다른 실시예에서, 3차 성장 제약 시스템(155)의 제1 및 제2 3차 성장 제약들(각각, 157, 159)은, 가로 방향에 직교하는 방향으로 있을 전극 어셈블리(106)의 다른 표면들 상에 3차 성장 제약시스템(155)에 의해 행사되는 압력을 초과하는 압력을, (즉, 가로 방향으로) 가로 축을 따르는 제1 및 제2 대향하는 표면 영역들(각각, 161, 163)과 같은, 세로 방향 및 제2 방향에 직교하는 방향으로 전극 어셈블리(106)의 측방향 표면(142)의 제1 및 제2 대향하는 영역들 상에 행사하는 것에 의해 전극 어셈블리(106)의 성장을 저지한다. 즉, 제1 및 제2 3차 성장 제약들(각각, 157, 159)은, 수직(Z 축) 방향 및 세로(Y 축) 방향과 같은, 이에 직교하는 방향들로 그렇게 함으로써 생성되는 압력을 초과하는 압력을 가로 방향(X 축)으로 행사할 수 있다. 예를 들어, 하나의 이러한 실시예에서, 3차 성장 제약 시스템(155)은 이에 수직인 2개의 방향들 중 적어도 하나, 또는 심지어 양자 모두로 3차 성장 제약 시스템(155)에 의해 전극 어셈블리(106) 상에 유지되는 압력을 적어도 3배 초과하는 제1 및 제2 대향하는 표면 영역들(144, 146) 상의 (즉, 가로 방향으로의) 압력으로 전극 어셈블리(106)의 성장을 저지한다. 추가의 예로서, 하나의 이러한 실시예에서, 3차 성장 제약 시스템(155)은 이에 수직인 2개의 방향들 중 적어도 하나, 또는 심지어 양자 모두로 3차 성장 제약 시스템(155)에 의해 전극 어셈블리(106) 상에 유지되는 압력을 적어도 4배 초과하는 제1 및 제2 대향하는 표면 영역들(각각, 144, 146) 상의 (즉, 가로 방향으로의) 압력으로 전극 어셈블리(106)의 성장을 저지한다. 추가의 예로서, 하나의 이러한 실시예에서, 3차 성장 제약 시스템(155)은 이에 수직인 2개의 방향들 중 적어도 하나, 또는 심지어 양자 모두로 전극 어셈블리(106) 상에 유지되는 압력을 적어도 5배 초과하는 제1 및 제2 대향하는 표면 영역들(각각, 144, 146) 상의 (즉, 가로 방향으로의) 압력으로 전극 어셈블리(106)의 성장을 저지한다.
일 실시예에서, 1차 성장 제약 시스템(151), 2차 성장 제약 시스템(152), 및 선택적으로 3차 성장 제약 시스템(155)을 포함할 수 있는, 전극 제약들의 세트(108)는, 전극 제약들의 세트(108)에 의해 세로 방향을 따라 행사되는 압력이 세로 방향에 직교하는 방향들(예를 들어, Z 및 X 방향들) 중 임의의 것으로 전극 제약들의 세트(108)에 의해 행사되는 임의의 압력(들) 초과인 것으로, 이들의 2개 이상의 치수들을 따라(예를 들어, 세로 및 수직 방향을 따라, 그리고 선택적으로 가로 방향을 따라) 전극 어셈블리(106) 상에 압력을 행사하도록 구성된다. 즉, 전극 제약들의 세트(108)를 이루고 있는, 1차, 2차, 및 선택적으로 3차 성장 제약 시스템들(각각, 151, 152, 155)에 의해 행사되는 압력(들)이 함께 합산될 때, 세로 축을 따라 전극 어셈블리(106) 상에 행사되는 압력은 이에 직교하는 방향들로 전극 어셈블리(106) 상에 행사되는 압력(들)을 초과한다. 예를 들어, 하나의 이러한 실시예에서, 전극 제약들의 세트(108)는 적층 방향 D에 수직인 2개의 방향들 중 적어도 하나 또는 심지어 양자 모두로 전극 제약들의 세트(108)에 의해 전극 어셈블리(106) 상에 유지되는 압력을 적어도 3배 초과하는 제1 및 제2 세로 단부 표면들(116, 118) 상의 (즉, 적층 방향 D로의) 압력을 행사한다. 추가의 예로서, 하나의 이러한 실시예에서, 전극 제약들의 세트(108)는 적층 방향 D에 수직인 2개의 방향들 중 적어도 하나, 또는 심지어 양자 모두로 전극 제약들의 세트(108)에 의해 전극 어셈블리(106) 상에 유지되는 압력을 적어도 4배 초과하는 제1 및 제2 세로 단부 표면들(116, 118) 상의 (즉, 적층 방향 D로의) 압력을 행사한다. 추가의 예로서, 하나의 이러한 실시예에서, 전극 제약들의 세트(108)는 적층 방향 D에 수직인 2개의 방향들 중 적어도 하나 또는 심지어 양자 모두로 전극 어셈블리(106) 상에 유지되는 압력을 적어도 5배 초과하는 제1 및 제2 세로 단부 표면들(116,118) 상의 (즉, 적층 방향 D로의)의 압력을 행사한다.
일 실시예에 따르면, 제1 및 제2 세로 단부 표면들(각각, 116, 118)은 전체 전극 어셈블리(106)의 전체적인 표면 면적의 미리 결정된 양 미만인 조합 표면 면적(combined surface area)을 갖는다. 예를 들어, 일 실시예에서, 전극 어셈블리(106)는 제1 및 제2 세로 단부 표면들(각각, 116, 118) 및 단부 표면들(각각, 116, 118) 사이에 연장되는 측방향 표면(142)이 있는 직사각형 프리즘의 것에 대응하는 기하학적 형상을 가질 수 있으며, 측방향 표면은 전극 어셈블리(106)의 나머지 표면을 이루고, X 방향으로의 대향하는 표면 영역들(144, 146)(즉, 직사각형 프리즘의 측 표면들) 및 Z 방향으로의 대향하는 표면 영역들(148, 150)(즉, 직사각형 프리즘의 상부 및 하부 표면들, 여기서 X, Y 및 Z는, 각각, X 축, Y 축, 및 Z 축에 대응하는 방향들에서 측정되는 치수들임)을 갖는다. 전체적인 표면 면적은 따라서, 제1 및 제2 세로 단부 표면들(각각, 116, 118)의 표면 면적에 가산되는, 측방향 표면(142)에 의해 커버되는 표면 면적(즉, X 및 Z에서의 대향하는 표면들(144, 146, 148, 및 150)의 표면 면적)의 합이다. 본 개시 내용의 일 양태에 따르면, 제1 및 제2 세로 단부 표면들(각각, 116, 118)의 표면 면적들의 합은 전극 어셈블리(106)의 총 표면의 표면 면적의 33% 미만이다. 예를 들어, 하나의 이러한 실시예에서, 제1 및 제2 세로 단부 표면들(각각, 116, 118)의 표면 면적들의 합은 전극 어셈블리(106)의 총 표면의 표면 면적의 25% 미만이다. 추가의 예로서, 일 실시예에서, 제1 및 제2 세로 단부 표면들(각각, 116, 118)의 표면 면적들의 합은 전극 어셈블리의 총 표면의 표면 면적의 20% 미만이다. 추가의 예로서, 일 실시예에서, 제1 및 제2 세로 단부 표면들(각각, 116, 118)의 표면 면적들의 합은 전극 어셈블리의 총 표면의 표면 면적의 15% 미만이다. 추가의 예로서, 일 실시예에서, 제1 및 제2 세로 단부 표면들(각각, 116, 118)의 표면 면적들의 합은 전극 어셈블리의 총 표면의 표면 면적의 10% 미만이다.
또 다른 실시예에서, 적층 방향(즉, 세로 방향)에 직교하는 평면에서의 전극 어셈블리(106)의 돌출의 표면 면적이 다른 직교 평면들 상으로의 전극 어셈블리(106)의 돌출들의 표면 면적들보다 작도록 전극 어셈블리(106)가 구성된다. 예를 들어, 도 1a에 도시되는 전극 어셈블리(106) 실시예(예를 들어, 직사각형 프리즘)를 참조하면, 적층 방향에 직교하는 평면(즉, X-Z 평면)으로의 전극 어셈블리(106)의 돌출의 표면 면적은 LEA X HEA에 대응한다는 점을 알 수 있다. 유사하게, 전극 어셈블리(106)의 Z-Y 평면으로의 돌출은 WEA X HEA에 대응하고, 전극 어셈블리(106)의 X-Y 평면으로의 돌출은 LEA X WEA에 대응한다. 따라서, 최소 표면 면적을 갖는 돌출이 놓이는 평면과 적층 방향이 교차하도록 전극 어셈블리(106)가 구성된다. 따라서, 도 2에서의 실시예에서, HEA X LEA 에 대응하는 최소 표면 면적 돌출이 놓이는 X-Z 평면과 적층 방향이 교차하도록 전극 어셈블리(106)가 배치된다. 즉, 최소 표면 면적(예를 들어, HEA X LEA)을 갖는 돌출이 적층 방향에 직교하도록 전극 어셈블리가 배치된다.
또 다른 실시예에서, 2차 배터리(102)는, 전극 스택을 형성하도록 함께 적층되는, 복수의 전극 어셈블리들(106)을 포함할 수 있고, 하나 이상의 공유 전극 제약에 의해 제약될 수 있다. 예를 들어, 일 실시예에서, 1차 성장 제약 시스템(151) 및 2차 성장 제약 시스템(152) 중 하나 이상의 적어도 일부분은 전극 어셈블리 스택을 형성하는 복수의 전극 어셈블리들(106)에 의해 공유될 수 있다. 추가의 예로서, 일 실시예에서, 전극 어셈블리 스택을 형성하는 복수의 전극 어셈블리들은, 스택을 형성하는 복수의 전극 어셈블리들(106)이 공유 2차 성장 제약 시스템에 의해 수직 방향으로 제약되도록, 스택의 상부 전극 어셈블리(106)에 있는 제1 2차 성장 제약(158) 및 스택의 하부 전극 어셈블리(106)에 있는 제2 2차 성장 제약(160)을 갖는 2차 성장 제약 시스템(152)에 의해 수직 방향으로 제약될 수 있다. 유사하게, 1차 성장 제약 시스템(151)의 부분들이 또한 공유될 수 있다. 따라서, 일 실시예에서, 위에 설명된 단일 전극 어셈블리에 유사하게, 적층 방향(즉, 세로 방향)에 직교하는 평면에서의 전극 어셈블리들(106)의 스택의 돌출의 표면 면적은 다른 직교 평면들 상으로의 전극 어셈블리들(106)의 스택의 돌출들의 표면 면적들보다 작다. 즉, 적층 방향(즉, 세로 방향)이 전극 어셈블리 스택의 다른 직교 돌출들 전부 중 최소인 전극 어셈블리들(106)의 스택의 돌출을 갖는 평면에 교차하고 이에 직교하도록 복수의 전극 어셈블리들(106)이 구성될 수 있다.
일 실시예에 따르면, 적층 방향(즉, 세로 방향)에 직교하는 평면으로의 애노드 구조체들(110)의 돌출의 표면 면적이 다른 직교 평면들 상으로의 전극 구조체들(100)의 돌출들의 표면 면적들보다 크도록 구성되는 애노드 구조체들(110)을 전극 어셈블리(106)가 추가로 포함한다. 예를 들어, 도 1a 및 도 7에 도시되는 바와 같은 실시예들을 참조하면, 애노드들(110)은 가로 방향으로 측정되는 길이 LA, 세로 방향으로 측정되는 폭 WA, 및 수직 방향으로 측정되는 높이 HA를 갖는 것으로 각각 이해될 수 있다. 따라서, 도 1a 및 7에 도시되는 바와 같은 X-Z 평면으로의 돌출은 표면 면적 LA X HA를 갖고, Y-Z 평면으로의 돌출은 표면 면적 WA X HA를 갖고, XY 평면으로의 돌출은 표면 면적 LA X WA를 갖는다. 이들 중에서, 최대 표면 면적을 갖는 돌출에 대응하는 평면은 적층 방향에 직교하도록 선택되는 것이다. 유사하게, 적층 방향에 직교하는 평면으로의 애노드 활성 재료 층(132)의 돌출의 표면 면적이 다른 직교 평면들 상으로의 애노드 활성 재료 층의 돌출들의 표면 면적들보다 크도록 애노드들(110)이 또한 구성될 수 있다. 예를 들어, 도 1a 및 도 7에 도시되는 실시예에서, 애노드 활성 재료 층은 가로 방향으로 측정되는 길이 LAA, 세로 방향으로 측정되는 폭 WAA, 및 수직 방향으로 측정되는 높이 HAA를 가질 수 있고, 이들은 돌출의 표면 면적들로부터 계산될 수 있다(애노드 구조체 및/또는 애노드 활성 재료층(132)의 치수들이 하나 이상의 축을 따라 달라지는 경우에, LA, LAA, WA, WAA, HA 및 HAA가 이러한 치수들 중 최대에 또한 대응할 수 있음). 일 실시예에서, 애노드 구조체(110) 및/또는 애노드 활성 재료 층(132)의 가장 높은 돌출 표면 면적을 갖는 평면이 적층 방향에 직교하도록 애노드 구조체들(110)을 배치하는 것에 의해, 애노드 활성 재료의 최대 표면 면적을 갖는 애노드 구조체(110)의 표면이 캐리어 이온들의 이동의 방향을 대면하고, 따라서 삽입 및/또는 합금화로 인해 충전 상태와 방전 상태의 사이클링 동안 최대 성장을 경험하는 구성이 달성될 수 있다.
일 실시예에서, 애노드 구조체(110) 및/또는 애노드 활성 재료 층(132)의 최대 표면 면적 돌출 및 전극 어셈블리(106)의 최소 표면 면적 돌출이, 적층 방향에 직교하는 평면에 동시에 있도록 애노드 구조체(110) 및 전극 어셈블리(106)가 구성될 수 있다. 예를 들어, 도 1a 및 7에 도시되는 바와 같이, 애노드 활성 재료 층(132)의 X-Z 평면에서의 애노드 활성 재료 층(132)의 돌출(LAA X HAA)이 가장 높은 경우에, 애노드 구조체(110) 및/또는 애노드 활성 재료 층(132)은 전극 어셈블리의 최소 표면 면적 돌출(LEA X HEA)에 관련하여 배치되어, 양자 모두의 돌출에 대한 돌출 평면은 적층 방향에 직교한다. 즉, 애노드 구조체(110) 및/또는 애노드 활성 재료의 최대 표면 면적 돌출을 갖는 평면은 전극 어셈블리(106)의 최소 표면 면적 돌출을 갖는 평면에 평행하다(및/또는 이와 동일한 평면에 있음). 이러한 방식으로, 일 실시예에 따르면, 최대 체적 성장을 경험할 가능성이 가장 많은 애노드 구조체들의 표면들, 즉 가장 높은 함량의 애노드 활성 재료 층을 갖는 표면들, 및/또는 2차 배터리의 충전/방전 동안 캐리어 이온들의 이동의 방향과 교차하는(예를 들어, 이에 직교하는) 표면들은, 최저 표면 면적을 갖는 전극 어셈블리(106)의 표면들과 대면한다. 이러한 구성을 제공하는 것의 이점은 이러한 최대 성장의 방향으로, 예를 들어, 세로 축을 따라 제약하는데 사용되는 성장 제약 시스템이, 전극 어셈블리(106)의 다른 표면들의 영역에 비해, 그들 자체가 비교적 작은 표면 면적을 갖는 성장 제약들로 구현될 수 있고, 그렇게 함으로써 전극 어셈블리의 성장을 저지하도록 제약 시스템을 구현하는데 요구되는 체적을 감소시킨다는 점이다.
일 실시예에서, 제약 시스템(108)은 전극 어셈블리(106) 및 제약 시스템(108)의 조합 체적(combined volume)의 비교적 낮은 체적 %를 점유한다. 즉, 전극 어셈블리(106)는 자신의 외측 표면들에 의해 경계가 정해지는 체적(즉, 변위 체적(displacement volume)), 즉 제1 및 제2 세로 단부 표면들(116, 118) 및 이러한 단부 표면들을 접속시키는 측방향 표면(42)에 의해 에워싸이는 체적을 갖는 것으로 이해될 수 있다. 제1 및 제2 1차 성장 제약들(154, 156)이 전극 어셈블리(106)의 세로 단부들(117, 119)에 위치되고, 제1 및 제2 2차 성장 제약들(158, 160)이 측방향 표면(142)의 대향하는 단부들에 있는 경우와 같은, 전극 어셈블리(106) 외부에(즉, 세로 단부 표면들(116, 118) 및 측방향 표면 외부에) 있는 제약 시스템(108)의 부분들인, 제약 시스템(108)의 부분들은 유사하게 제약 시스템 부분들의 변위 체적에 대응하는 체적을 점유한다. 따라서, 일 실시예에서, 1차 성장 제약 시스템(151)의 외부 부분들(즉, 외부에 있는 제1 및 제2 1차 성장 제약들(154, 156) 및 적어도 하나의 1차 접속 멤버 중 임의의 것, 또는 이들의 외부 부분들)은 물론, 2차 성장 제약 시스템(152)의 외부 부분들(즉, 외부에 있는 제1 및 제2 2차 성장 제약들(158, 160) 및 적어도 하나의 2차 접속 멤버 중 임의의 것, 또는 이들의 외부 부분들)을 포함할 수 있는, 전극 제약들의 세트(108)의 외부 부분들은 전극 어셈블리(106) 및 전극 제약들의 세트(108)의 외부 부분의 총 조합 체적의 80% 이하를 점유한다. 추가의 예로서, 일 실시예에서 전극 제약들의 세트의 외부 부분들은 전극 어셈블리(106) 및 전극 제약들의 세트의 외부 부분들의 총 조합 체적의 60% 이하를 점유한다. 또 추가의 예로서, 일 실시예에서 전극 제약들의 세트(106)의 외부 부분은 전극 어셈블리(106) 및 전극 제약들의 세트의 외부 부분의 총 조합 체적의 40% 이하를 점유한다. 또 추가의 예로서, 일 실시예에서 전극 제약들의 세트(106)의 외부 부분은 전극 어셈블리(106) 및 전극 제약들의 세트의 외부 부분의 총 조합 체적의 20% 이하를 점유한다. 또 다른 실시예에서, 1차 성장 제약 시스템(151)의 외부 부분(즉, 외부에 있는 제1 및 제2 1차 성장 제약들(154, 156) 및 적어도 하나의 1차 접속 멤버 중 임의의 것, 또는 이들의 외부 부분들)은 전극 어셈블리(106) 및 1차 성장 제약 시스템(151)의 외부 부분의 총 조합 체적의 40% 이하를 점유한다. 추가의 예로서, 일 실시예에서 1차 성장 제약 시스템(151)의 외부 부분은 전극 어셈블리(106) 및 1차 성장 제약 시스템(151)의 외부 부분의 총 조합 체적의 30% 이하를 점유한다. 또 추가의 예로서, 일 실시예에서 1차 성장 제약 시스템(151)의 외부 부분은 전극 어셈블리(106) 및 1차 성장 제약 시스템(151)의 외부 부분의 총 조합 체적의 20% 이하를 점유한다. 또 추가의 예로서, 일 실시예에서 1차 성장 제약 시스템(151)의 외부 부분은 전극 어셈블리(106) 및 1차 성장 제약 시스템(151)의 외부 부분의 총 조합 체적의 10% 이하를 점유한다. 또 다른 실시예에서, 2차 성장 제약 시스템(152)의 외부 부분(즉, 외부에 있는 제1 및 제2 2차 성장 제약들(158, 160) 및 적어도 하나의 2차 접속 멤버 중 임의의 것, 또는 이들의 외부 부분들)은 전극 어셈블리(106) 및 2차 성장 제약 시스템(152)의 외부 부분의 총 조합 체적의 40% 이하를 점유한다. 추가의 예로서, 일 실시예에서, 2차 성장 제약 시스템(152)의 외부 부분은 전극 어셈블리(106) 및 2차 성장 제약 시스템(152)의 외부 부분의 총 조합 체적의 30% 이하를 점유한다. 또 다른 예로서, 일 실시예에서, 2차 성장 제약 시스템(152)의 외부 부분은 전극 어셈블리(106) 및 2차 성장 제약 시스템(152)의 외부 부분의 총 조합 체적의 20% 이하를 점유한다. 또 다른 예로서, 일 실시예에서, 2차 성장 제약 시스템(152)의 외부 부분은 전극 어셈블리(106) 및 2차 성장 제약 시스템(152)의 외부 부분의 총 조합 체적의 10% 이하를 점유한다.
일 실시예에 따르면, 제1 및 제2 세로 단부 표면들(116,118) 상으로의 애노드 및 캐소드 집단들의 멤버들의 돌출은 제1 및 제2 돌출 면적(2002a, 2002b)을 한정한다. 일반적으로, 제1 및 제2 돌출 면적들(2002a, 2002b)은 제1 및 제2 세로 단부 표면들(각각, 122, 124)의 표면 면적의 상당한 분율(significant fraction)을 통상적으로 포함할 것이다. 예를 들어, 일 실시예에서 제1 및 제2 돌출 면적들 각각은, 각각, 제1 및 제2 세로 단부 표면들의 표면 면적의 적어도 50%를 포함한다. 추가의 예로서, 하나의 이러한 실시예에서, 제1 및 제2 돌출 면적들 각각은, 각각, 제1 및 제2 세로 단부 표면들의 표면 면적의 적어도 75%를 포함한다. 추가의 예로서, 하나의 이러한 실시예에서, 제1 및 제2 돌출 면적들 각각은, 각각, 제1 및 제2 세로 단부 표면들의 표면 면적의 적어도 90%를 포함한다.
특정 실시예들에서, 전극 어셈블리(106)의 세로 단부 표면들(116, 118)은 상당한 압축 부하 하에 있을 것이다. 예를 들어, 일부 실시예들에서, 전극 어셈블리(106)의 세로 단부 표면들(116, 118) 각각은 (예를 들어, 세로 단부 표면들 각각의 총 표면 면적에 걸쳐, 각각, 평균화되는) 적어도 0.7 kPa의 압축 부하 하에 있을 것이다. 예를 들어, 일 실시예에서, 전극 어셈블리(106)의 세로 단부 표면들(116, 118) 각각은 (예를 들어, 세로 단부 표면들 각각의 총 표면 면적에 걸쳐, 각각, 평균화되는) 적어도 1.75 kPa의 압축 부하 하에 있을 것이다. 추가의 예로서, 하나의 이러한 실시예에서, 전극 어셈블리(106)의 세로 단부 표면들(116, 118) 각각은 (예를 들어, 세로 단부 표면들 각각의 총 표면 면적에 걸쳐, 각각, 평균화되는) 적어도 2.8kPa의 압축 부하 하에 있을 것이다. 추가의 예로서, 하나의 이러한 실시예에서, 전극 어셈블리(106)의 세로 단부 표면들(116, 118) 각각은 (예를 들어, 세로 단부 표면들 각각의 총 표면 면적에 걸쳐, 각각, 평균화되는) 적어도 3.5 kPa의 압축 부하 하에 있을 것이다. 추가의 예로서, 하나의 이러한 실시예에서, 전극 어셈블리(106)의 세로 단부 표면들(116, 118) 각각은 (예를 들어, 세로 단부 표면들 각각의 총 표면 면적에 걸쳐, 각각, 평균화되는) 적어도 5.25 kPa의 압축 부하 하에 있을 것이다. 추가의 예로서, 하나의 이러한 실시예에서, 전극 어셈블리(106)의 세로 단부 표면들(116, 118) 각각은 (예를 들어, 세로 단부 표면들 각각의 총 표면 면적에 걸쳐, 각각, 평균화되는) 적어도 7 kPa의 압축 부하 하에 있을 것이다. 추가의 예로서, 하나의 이러한 실시예에서, 전극 어셈블리(106)의 세로 단부 표면들(116, 118) 각각은 (예를 들어, 세로 단부 표면들 각각의 총 표면 면적에 걸쳐, 각각, 평균화되는) 적어도 8.75 kPa의 압축 부하 하에 있을 것이다. 그러나, 일반적으로, 전극 어셈블리(106)의 세로 단부 표면들(116, 118)은 (예를 들어, 세로 단부 표면들 각각의 총 표면 면적에 걸쳐, 각각, 평균화되는) 약 10 kPa 이하의 압축 부하 하에 있을 것이다. 세로 단부 표면들 상으로의 전극 및 상대 전극 집단들의 멤버들의 돌출과 일치하는 전극 어셈블리의 세로 단부 표면의 영역들(즉, 돌출 표면 영역들)은 (각각의 돌출 표면 영역의 총 표면 면적에 걸쳐, 각각, 평균되는 바와 같은) 위 압축 부하들 하에 또한 있을 수 있다. 전술한 예시적인 실시예들 각각에서, 전극 어셈블리(106)의 세로 단부 표면들(116, 118)은 전극 어셈블리(106)를 갖는 에너지 저장 디바이스(100)가 자신의 정격 용량의 적어도 약 80%로 충전될 때 이러한 압축 부하들을 경험할 것이다.
일 실시예에 따르면, 2차 성장 제약 시스템(152)은, 미리 결정된 값의 저지력(restraining force)을 인가하는 것에 의해, 그리고 성장 저지들의 과도한 스큐(skew) 없이, 수직 방향(Z 방향)으로의 전극 어셈블리(106)의 성장을 저지할 수 있다. 예를 들어, 일 실시예에서, 2차 성장 제약 시스템(152)은 1000 psi 초과의 저지력을 대향하는 수직 영역들(148, 150)에 인가하는 것 및 0.2 mm/m 미만의 스큐에 의해 수직 방향으로의 전극 어셈블리(106)의 성장을 저지할 수 있다. 추가의 예로서, 일 실시예에서, 2차 성장 제약 시스템(152)은 10,000 psi 이하에서의 5% 미만의 변위 및 0.2 mm/m 미만의 스큐로 저지력을 대향하는 수직 영역들(148, 150)에 인가하는 것에 의해 수직 방향으로의 전극 어셈블리(106)의 성장을 저지할 수 있다. 추가의 예로서, 일 실시예에서, 2차 성장 제약 시스템(152)은 10,000 psi 이하에서의 3% 미만의 변위 및 0.2 mm/m 미만의 스큐로 저지력을 대향하는 수직 영역들(148, 150)에 인가하는 것에 의해 수직 방향으로의 전극 어셈블리(106)의 성장을 저지할 수 있다. 추가의 예로서, 일 실시예에서, 2차 성장 제약 시스템(152)은 10,000 psi 이하에서의 1% 미만의 변위 및 0.2 mm/m 미만의 스큐로 저지력을 대향하는 수직 영역들(148, 150)에 인가하는 것에 의해 수직 방향으로의 전극 어셈블리(106)의 성장을 저지할 수 있다. 추가의 예로서, 일 실시예에서, 2차 성장 제약 시스템(152)은 50개의 배터리 사이클들 이후에 10,000 psi 이하에서의 15% 미만의 변위 및 0.2 mm/m 미만의 스큐로 저지력을 대향하는 수직 영역들(148, 150)에 인가하는 것에 의해 수직 방향으로의 전극 어셈블리(106)의 성장을 저지할 수 있다. 추가의 예로서, 일 실시예에서, 2차 성장 제약 시스템(152)은 150개의 배터리 사이클들 이후에 10,000 psi 이하에서의 5% 미만의 변위 및 0.2 mm/m 미만의 스큐로 저지력을 대향하는 수직 영역들(148, 150)에 인가하는 것에 의해 수직 방향으로의 전극 어셈블리(106)의 성장을 저지할 수 있다.
이제 도 6d를 참조하면, 도 1b에 도시되는 바와 같은 라인 A-A'를 따라 취해지는 단면으로, 전극 제약들의 세트(108)가 있는 전극 어셈블리(106)의 일 실시예가 도시된다. 도 6d에 도시되는 실시예에서, 1차 성장 제약 시스템(151)은, 전극 어셈블리(106)의 세로 단부 표면들(116, 118)에 있는, 제1 및 제2 1차 성장 제약들(각각, 154, 156)을 포함할 수 있고, 2차 성장 제약 시스템(152)은 전극 어셈블리(106)의 측방향 표면(142)의 대향하는 제1 및 제2 표면 영역들(148, 150)에 있는 제1 및 제2 2차 성장 제약들(158, 160)을 포함한다. 이러한 실시예에 따르면, 제1 및 제2 1차 성장 제약들(154, 156)은 제1 및 제2 2차 성장 제약들(158, 160)을 접속하고 성장 제약들을 세로 방향에 직교하는 제2 방향(예를 들어, 수직 방향)으로 서로 장력을 받도록 유지하는 적어도 하나의 2차 접속 멤버(166)로서 역할을 할 수 있다. 그러나, 추가적으로 및/또는 대안적으로, 2차 성장 제약 시스템(152)은 전극 어셈블리(106)의 세로 단부 표면들(116, 118) 이외의 영역에 위치되는 적어도 하나의 2차 접속 멤버(166)를 포함할 수 있다. 또한, 적어도 하나의 2차 접속 멤버(166)는, 전극 어셈블리의 세로 단부들(116, 118)의 내부에 있는, 그리고 성장을 저지하기 위해 전극 어셈블리(106)의 세로 단부(116, 118)에서의 1차 성장 저지 및/또는 다른 내부 1차 성장 저지와 함께 작용할 수 있는, 제1 및 제2 1차 성장 제약(154, 156) 중 적어도 하나로서 작용하는 것으로 이해될 수 있다. 도 6d에 도시되는 실시예를 참조하면, 전극 어셈블리(106)의 중심 영역을 향해서와 같이, 전극 어셈블리(106)의 제1 및 제2 세로 단부 표면들(각각, 116, 118)로부터 세로 축을 따라 떨어져 이격되는 2차 접속 멤버(166)가 제공될 수 있다. 2차 접속 멤버(166)는 전극 어셈블리 단부 표면들(116, 118)로부터 내부 위치에서 제1 및 제2 2차 성장 제약들(각각, 158, 160)을 접속할 수 있고, 그 위치에서 2차 성장 제약들(158, 160) 사이의 장력 하에 있을 수 있다. 일 실시예에서, 세로 단부 표면들(116, 118)에 있는 1차 성장 제약들(154, 156)로서 역할을 하는 2차 접속 멤버들(166)과 같은, 전극 어셈블리 단부 표면들(116, 118)에서 제공되는 하나 이상의 2차 접속 멤버(166)에 추가적으로, 단부 표면들(116, 118)로부터 내부 위치에서 2차 성장 제약들(158, 160)을 접속시키는 2차 접속 멤버(166)가 제공된다. 다른 실시예에서, 2차 성장 제약 시스템(152)은, 세로 단부 표면들(116, 118)에서의 2차 접속 멤버들(166)이 있고 또는 없고, 세로 단부 표면들(116, 118)로부터 떨어져 이격되는 내부 위치들에서 제1 및 제2 2차 성장 제약들(각각, 158, 160)과 접속하는 하나 이상의 2차 접속 멤버(166)를 포함한다. 내부 2차 접속 멤버들(166)은, 일 실시예에 따르면, 제1 및 제2 1차 성장 제약들(154, 156)로서 작용하는 것으로서 또한 이해될 수 있다. 예를 들어, 일 실시예에서, 내부 2차 접속 멤버들(166) 중 적어도 하나는, 이하 추가로 상세히 설명되는 바와 같이, 애노드 또는 캐소드 구조체(110, 112)의 적어도 일부분을 포함할 수 있다.
보다 구체적으로, 도 6d에 도시되는 실시예에 관련하여, 2차 성장 제약 시스템(152)은 전극 어셈블리(106)의 측방향 표면(142)의 상위 영역(148) 위에 놓이는(overlies) 제1 2차 성장 제약(158), 및 전극 어셈블리(106)의 측방향 표면(142)의 하위 영역(150) 위에 놓이는 대향하는 제2 2차 성장 제약(160)을 포함할 수 있으며, 제1 및 제2 2차 성장 제약들(158, 160)은 수직 방향으로(즉, Z 축을 따라) 서로 분리된다. 추가적으로, 2차 성장 제약 시스템(152)은 전극 어셈블리(106)의 세로 단부 표면들(116, 118)로부터 떨어져 이격되는 적어도 하나의 내부 2차 접속 멤버(166)를 추가로 포함할 수 있다. 내부 2차 접속 멤버(166)는 Z 축에 평행하게 정렬될 수 있고, 성장 제약들을 서로 장력을 받도록 유지하기 위해 그리고 2차 제약 시스템(152)의 적어도 일부분을 형성하기 위해, 제1 및 제2 2차 성장 제약들(각각, 158, 160)을 접속한다. 일 실시예에서, 적어도 하나의 내부 2차 접속 멤버(166)는, 단독으로 또는 전극 어셈블리(106)의 세로 단부 표면들(116, 118)에 위치되는 2차 접속 멤버들(166)과 함께, 수직 방향으로의 전극 어셈블리(106)의 성장을 감소시키기 위해, 전극 어셈블리(106)를 갖는 2차 배터리(102) 또는 에너지 저장 디바이스(100)의 반복 충전 및/또는 방전 동안, 수직 방향으로의(즉, Z 축을 따르는) 제1 및 제2 2차 성장 제약들(158, 160) 사이의 장력 하에 있을 수 있다. 또한, 도 5에 도시되는 실시예에서, 전극 제약들의 세트(108)는 전극 어셈블리(106)의 상위 및 하위 측방향 표면 영역들(각각, 148, 150)에서 제1 및 제2 1차 접속 멤버들(각각, 162, 164)에 의해 접속되는 전극 어셈블리(106)의 세로 단부들(117, 119)에 제1 및 제2 1차 성장 제약들(각각, 154, 156)을 갖는 1차 성장 제약 시스템(151)을 추가로 포함한다. 일 실시예에서, 2차 내부 접속 멤버(166)는 그 자체가, 제1 및 제2 1차 성장 제약들(각각, 154, 156)이 위치될 수 있는 전극 어셈블리(106)의 세로 단부들(117, 119)과 2차 내부 접속 멤버(166) 사이에 세로 방향으로 놓이는 전극 어셈블리(106)의 각각의 부분 상에 제약 압력(constraining pressure)을 행사하기 위해, 제1 및 제2 1차 성장 제약들(각각, 154, 156) 중 하나 이상과 협력하여 작용하는 것으로서 이해될 수 있다.
일 실시예에서, 1차 성장 제약 시스템(151) 및 2차 성장 제약 시스템(152) 중 하나 이상은 복수의 제약 멤버들을 포함하는 제1 및 제2 1차 성장 제약들(각각, 154, 156) 및/또는 제1 및 제2 2차 성장 제약들(각각, 158, 160)을 포함한다. 즉, 1차 성장 제약들(154, 156) 및/또는 2차 성장 제약들(158, 160) 각각은 단일 일체형 멤버(single unitary member)일 수 있거나, 또는 복수의 멤버들이 이러한 성장 제약들 중 하나 이상을 이루는데 사용될 수 있다. 예를 들어, 일 실시예에서, 제1 및 제2 2차 성장 제약들(각각, 158, 160)은 전극 어셈블리 측방향 표면(142)의 상위 및 하위 표면 영역들(각각, 148, 150)을 따라 연장되는 단일 제약 멤버들을 포함할 수 있다. 다른 실시예에서, 제1 및 제2 2차 성장 제약들(각각, 158, 160)은 측방향 표면의 대향하는 표면 영역들(148, 150)을 가로질러 연장되는 복수의 멤버들을 포함한다. 유사하게, 1차 성장 제약들(154, 156)은 복수의 멤버들로 또한 이루어질 수 있거나, 또는 각각이 각각의 전극 어셈블리 세로 단부(117, 119)에서 단일 일체형 멤버를 포함할 수 있다. 1차 성장 제약들(154, 156)과 2차 성장 제약들(158, 160) 각각 사이에 장력을 유지하기 위해, 성장 제약들 사이의 전극 어셈블리(106) 상에 압력을 행사하는 방식으로 성장 제약들을 포함하는 하나의 또는 복수의 멤버를 대향하는 성장 제약 멤버들에 접속하는 접속 멤버들(예를 들어, 162, 164, 165, 166)이 제공된다.
일 실시예에서, 2차 성장 제약 시스템(152)의 적어도 하나의 2차 접속 멤버(166)는 성장 제약들을 서로 장력을 받도록 유지하기 위해 제1 및 제2 2차 성장 제약들(각각, 158, 160)과의 접촉의 면적들(168, 170)을 형성한다. 접촉의 면적들(168, 170)은, 적어도 하나의 2차 접속 멤버(166)의 단부의 표면이 제1 및 제2 2차 성장 제약들(각각, 158, 160)에 부착되는 또는 점착되는(glued) 곳들과 같은, 적어도 하나의 2차 접속 멤버(166)의 단부들(172, 174)에 있는 표면들이 제1 및 제2 2차 성장 제약들(각각, 158, 160)을 터치 및/또는 접촉하는 이러한 면적들이다. 접촉의 면적들(168, 170)은 각각의 단부(172, 174)에 있을 수 있고, 제1 및 제2 2차 성장 제약들(158, 160)의 표면 면적을 가로질러 연장되어, 그 사이의 양호한 접촉을 제공할 수 있다. 접촉의 면적들(168, 170)은 2차 접속 멤버(166)와 성장 제약들(158, 160) 사이의 세로 방향(Y 축)으로의 접촉을 제공하며, 접촉의 면적들(168, 170)은 양호한 접촉 및 접속을 제공하여 제1 및 제2 2차 성장 제약들(158, 160)을 서로 장력을 받도록 유지하기 위해 가로 방향(X 축)으로 또한 연장될 수 있다. 일 실시예에서, 접촉의 면적들(168,170)은 적어도 1%인 세로 방향으로의 전극 어셈블리(106)의 WEA 당, 성장 제약들(158,160)과의 세로 방향(Y 축)으로의 하나 이상의 2차 접속 멤버(166)의 접촉의 총 면적(예를 들어, 모든 면적들(168)의 합 및 모든 면적들(170)의 합)의 비율을 제공한다. 예를 들어, 일 실시예에서, 세로 방향으로의 전극 어셈블리(106)의 WEA 당, 성장 제약들(158,160)과의 세로 방향(Y 축)으로의 하나 이상의 2차 접속 멤버(166)의 접촉의 총 면적의 비율은 적어도 2% 이다. 추가의 예로서, 일 실시예에서, 세로 방향으로의 전극 어셈블리(106)의 WEA 당, 성장 제약들(158,160)과의 세로 방향(Y 축)으로의 하나 이상의 2차 접속 멤버(166)의 접촉의 총 면적의 비율은 적어도 5% 이다. 추가의 예로서, 일 실시예에서, 세로 방향으로의 전극 어셈블리(106)의 WEA 당, 성장 제약들(158,160)과의 세로 방향(Y 축)으로의 하나 이상의 2차 접속 멤버(166)의 접촉의 총 면적의 비율은 적어도 10% 이다. 추가의 예로서, 일 실시예에서, 세로 방향으로의 전극 어셈블리(106)의 WEA 당, 성장 제약들(158,160)과의 세로 방향(Y 축)으로의 하나 이상의 2차 접속 멤버(166)의 접촉의 총 면적의 비율은 적어도 25% 이다. 추가의 예로서, 일 실시예에서, 세로 방향으로의 전극 어셈블리(106)의 WEA 당, 성장 제약들(158,160)과의 세로 방향(Y 축)으로의 하나 이상의 2차 접속 멤버(166)의 접촉의 총 면적의 비율은 적어도 50% 이다. 일반적으로, 세로 방향으로의 전극 어셈블리(106)의 WEA 당, 성장 제약들(158,160)과의 세로 방향(Y 축)으로의 하나 이상의 2차 접속 멤버(166)의 접촉의 총 면적의 비율은, 하나 이상의 접속 멤버(166)가 전체 세로 축을 가로질러 연장되는 접촉의 면적(168,170)을 통상적으로 갖지 않으므로, 90% 미만, 그리고 심지어 75% 미만과 같은, 100% 미만일 것이다. 그러나, 일 실시예에서, 성장 제약들(158,160)과의 2차 접속 멤버들(166)의 접촉의 면적(168,170)은, 가로 축(X 축)의 상당 부분을 가로질러 연장될 수 있고, 심지어 가로 방향으로 전극 어셈블리(106)의 전체 LEA 에 걸쳐 연장될 수 있다. 예를 들어, 가로 방향으로의 전극 어셈블리(106)의 LEA 당, 성장 제약들(158,160)과의 가로 방향(X 축)으로의 하나 이상의 2차 접속 멤버(166)의 접촉의 총 면적(예를 들어, 모든 면적들(168)의 합 및 모든 면적들(170)의 합)의 비율은 적어도 약 50%일 수 있다. 추가의 예로서, 가로 방향(X 축)으로의 전극 어셈블리(106)의 LEA 당, 성장 제약들(158,160)과의 가로 방향(X 축)으로의 하나 이상의 2차 접속 멤버(166)의 접촉의 총 면적의 비율은 적어도 약 75%일 수 있다. 추가의 예로서, 가로 방향(X 축)으로의 전극 어셈블리(106)의 LEA 당, 성장 제약들(158,160)과의 가로 방향(X 축)으로의 하나 이상의 2차 접속 멤버(166)의 접촉의 총 면적의 비율은 적어도 약 90%일 수 있다. 추가의 예로서, 가로 방향(X 축)으로의 전극 어셈블리(106)의 LEA 당, 성장 제약들(158,160)과의 가로 방향(X 축)으로의 하나 이상의 2차 접속 멤버(166)의 접촉의 총 면적의 비율은 적어도 약 95%일 수 있다.
일 실시예에 따르면, 하나 이상의 2차 접속 멤버(166)와 제1 및 제2 2차 성장 제약들(각각, 158, 160) 사이의 접촉의 면적들(168, 170)은 전극 어셈블리(106)를 갖는 2차 배터리(102) 또는 에너지 저장 디바이스(100)의 사이클링 동안 성장 제약들(158, 160) 사이에 적절한 홀드(hold) 및 장력을 제공하기에 충분히 크다. 예를 들어, 접촉의 면적들(168, 170)은, 전극 어셈블리(106)의 측방향 표면(142)의 표면 면적의 적어도 10%, 그리고 심지어 전극 어셈블리(106)의 측방향 표면(142)의 표면 면적의 적어도 20%와 같은, 전극 어셈블리(106)의 측방향 표면(142)의 표면 면적의 적어도 2%를 이루는 각각의 성장 제약(158, 160)과의 접촉의 면적을 형성할 수 있다. 추가의 예로서, 접촉의 면적들(168, 170)은 전극 어셈블리(106)의 측방향 표면(142)의 표면 면적의 적어도 35%, 그리고 심지어 전극 어셈블리(106)의 측방향 표면(142)의 표면 면적의 적어도 40%를 이루는 각각의 성장 제약(158, 160)과의 접촉의 면적을 형성할 수 있다. 예를 들어, 상위 및 하위 대향하는 표면 영역들(각각, 148, 150)을 갖는 전극 어셈블리(106)에 대해, 적어도 하나의 2차 접속 멤버(166)는, 상위 및 하위 대향하는 표면 영역들(각각, 148, 150)의 표면 면적의 적어도 10%, 그리고 심지어 상위 및 하위 대향하는 표면 영역들(각각, 148, 150)의 표면 면적의 적어도 20%를 따라서와 같이, 상위 및 하위 대향하는 표면 영역들(각각, 148, 150)의 표면 면적의 적어도 5%를 따라서 성장 제약들(158, 160)과의 접촉의 면적들(168, 170)을 형성할 수 있다. 추가의 예로서, 상위 및 하위 대향하는 표면 영역들(각각, 148, 150)을 갖는 전극 어셈블리(106)에 대해, 적어도 하나의 2차 접속 멤버(166)는, 상위 및 하위 대향하는 표면 영역들(각각, 148, 150)의 표면 면적의 적어도 50%를 따라서와 같이, 상위 및 하위 대향하는 표면 영역들(각각, 148, 150)의 표면 면적의 적어도 40%를 따라서 성장 제약들(158, 160)과의 접촉의 면적들(168, 170)을 형성할 수 있다. 전극 어셈블리(106)의 총 표면 면적에 비해 최소 표면 면적을 이루는 적어도 하나의 접속 멤버(166)와 성장 제약들(158, 160) 사이의 접촉을 형성하는 것에 의해, 성장 제약들(158, 160) 사이의 적절한 장력이 제공될 수 있다. 또한, 일 실시예에 따르면, 접촉의 면적들(168, 170)이 단일 2차 접속 멤버(166)에 의해 제공될 수 있거나, 또는 접촉의 총 면적이, 전극 어셈블리(106)의 세로 단부들(117, 119)에 위치되는 하나의 또는 복수의 2차 접속 멤버(166), 및/또는 전극 어셈블리(106)의 세로 단부들(117, 119)로부터 떨어져 이격되는 하나의 또는 복수의 내부 2차 접속 멤버(166)와 같은, 복수의 2차 접속 멤버들(166)에 의해 제공되는 다수의 접촉의 면적들(168, 170)의 합일 수 있다.
추가로 여전히, 일 실시예에서, 1차 및 2차 성장 제약 시스템들(각각, 151, 152)(및 선택적으로 3차 성장 제약 시스템)은, 전극 어셈블리의 체적 성장 %를 저지하기 위해, 세로 방향 및, 수직 방향(Z 축)과 같은, 세로 방향에 직교하는 제2 방향 양자 모두로의(그리고 선택적으로, X 축을 따라와 같은, 제3 방향으로의) 전극 어셈블리(106)의 성장을 저지할 수 있다.
특정 실시예들에서, 1차 및 2차 성장 제약 시스템들(각각, 151, 152) 중 하나 이상은, 다공성 재료로 이루어지는 멤버와 같은, 내부에 공극들을 갖는 멤버를 포함한다. 예를 들어, 전극 어셈블리(106) 위의 2차 성장 제약(158)의 평면도를 묘사하는 도 8을 참조하면, 2차 성장 제약(158)은, 2차 성장 제약(158)에 의해 적어도 부분적으로 커버되는 전극 어셈블리(106)에 액세스하기 위해, 전해질이 그것을 통과하는 것을 허용하는 공극들(176)을 포함할 수 있다. 일 실시예에서, 제1 및 제2 2차 성장 제약들(각각, 158, 160)은 내부에 공극들(176)을 갖는다. 다른 실시예에서, 제1 및 제2 1차 성장 제약들(각각, 154, 156) 및 제1 및 제2 2차 성장 제약들(각각, 158, 160) 각각은 내부에 공극들(176)을 갖는다. 또 다른 실시예에서, 제1 및 제2 2차 성장 제약들(각각, 158, 160) 중 하나만 또는 일부분만이 내부에 공극들을 포함한다. 또 추가의 실시예에서, 제1 및 제2 1차 접속 멤버들(각각, 162, 164), 및 적어도 하나의 2차 접속 멤버(166) 중 하나 이상은 내부에 공극들을 포함한다. 공극들(176)을 제공하는 것은, 예를 들어, 에너지 저장 디바이스(100) 또는 2차 배터리(102)가, 전해질이 도 9에 묘사되는 실시예에 도시되는 바와 같이, 예를 들어, 2차 배터리(102)에서의 상이한 전극 어셈블리들(106) 사이에 유동하는 것을 허용하기 위해, 배터리 인클로저(104) 내에 함께 적층되는 복수의 전극 어셈블리들(106)을 포함할 때, 유리할 수 있다. 예를 들어, 일 실시예에서, 1차 및 2차 성장 제약 시스템(각각, 151, 152)의 적어도 일부분을 이루고 있는 다공성 멤버는 적어도 0.25의 공극률(void fraction)을 가질 수 있다. 추가의 예로서, 일부 실시예들에서, 1차 및 2차 성장 제약 시스템들(각각, 151, 152)의 적어도 일부분을 이루고 있는 다공성 멤버는 적어도 0.375의 공극률을 가질 수 있다. 추가의 예로서, 일부 실시예들에서, 1차 및 2차 성장 제약 시스템들(각각, 151, 152)의 적어도 일부분을 이루고 있는 다공성 멤버는 적어도 0.5의 공극률을 가질 수 있다. 추가의 예로서, 일부 실시예들에서, 1차 및 2차 성장 제약 시스템들(각각, 151, 152)의 적어도 일부분을 이루고 있는 다공성 멤버는 적어도 0.625의 공극률을 가질 수 있다. 추가의 예로서, 일부 실시예들에서, 1차 및 2차 성장 제약 시스템들(각각, 151, 152)의 적어도 일부분을 이루고 있는 다공성 멤버는 적어도 0.75의 공극률을 가질 수 있다.
일 실시예에서, 전극 제약들의 세트(108)는 1차 성장 제약 시스템(151)의 컴포넌트들을 2차 성장 제약 시스템(152)의 컴포넌트들에 부착, 본딩, 및/또는 점착시키는 것 중 적어도 하나에 의해 전극 어셈블리(106)의 성장을 저지하도록 조립되고 고정(secure)될 수 있다. 예를 들어, 1차 성장 제약 시스템(151)의 컴포넌트들은 2차 성장 제약 시스템(152)의 컴포넌트들에 점착되거나, 용접되거나, 본딩되거나, 또는 달리 부착되고 고정될 수 있다. 예를 들어, 도 6a에 도시되는 바와 같이, 제1 및 제2 1차 성장 제약들(각각, 154, 156)은 제1 및 제2 2차 성장 제약들(각각, 158, 160)로서 또한 역할을 할 수 있는 제1 및 제2 1차 접속 멤버들(각각, 162, 164)에 부착될 수 있다. 반대로, 제1 및 제2 2차 성장 제약들(각각, 158, 150)은, 전극 어셈블리(106)의 세로 단부들(117, 119)에 있는 성장 제약들과 같은, 제1 및 제2 1차 성장 제약들(각각, 154, 156) 중 적어도 하나로서 역할을 하는 적어도 하나의 2차 접속 멤버(166)에 부착될 수 있다. 도 6d를 참조하면, 제1 및 제2 2차 성장 제약들(각각, 158, 160)은 세로 단부들(117, 119)로부터 떨어져 이격되는 내부 접속 멤버(166)인 적어도 하나의 2차 접속 멤버(166)에 또한 부착될 수 있다. 일 실시예에서, 1차 및 2차 성장 제약 시스템들(각각, 151, 152)의 부분들을 서로에 고정시키는 것에 의해, 전극 어셈블리(106) 성장의 협력적 저지가 제공될 수 있다.
제약 시스템 서브-아키텍처
일 실시예에 따르면, 위에 논의된 바와 같이, 제1 및 제2 2차 성장 제약들(각각, 158, 160) 중 하나 이상은, 애노드 구조체(110) 및/또는 캐소드 구조체(112)의 부분과 같은, 전극 어셈블리(106)의 내부 구조체의 부분인 2차 접속 멤버(166)를 통해 함께 접속될 수 있다. 일 실시예에서, 전극 어셈블리(106) 내의 구조체들을 통해 제약들 사이의 접속을 제공하는 것에 의해, 애노드 구조체(110)의 성장에 의해 생성되는 변형을 적절히 보상하는 타이트하게 제약된 구조체(tightly constrained structure)가 실현될 수 있다. 예를 들어, 일 실시예에서, 제1 및 제2 2차 성장 제약들(각각, 158, 160)은 애노드(110) 또는 캐소드 구조체(112)의 부분인 접속 멤버(166)를 통한 접속을 통해 서로 장력을 받게 배치되는 것에 의해, 수직 방향과 같은, 세로 방향에 직교하는 방향으로의 성장을 제약할 수 있다. 또 추가의 실시예에서, 애노드 구조체(110)의 성장은 2차 접속 멤버(166)로서 역할을 하는 캐소드 구조체(112)를 통한 2차 성장 제약들(158,160)의 접속에 의해 상대가 될 수 있다.
일반적으로, 특정 실시예들에서, 1차 성장 제약 시스템(151) 및 2차 성장 제약 시스템(152)의 컴포넌트들은 전극 어셈블리(106) 내의 애노드(110) 및/또는 캐소드 구조체들(112)에, 각각, 부착될 수 있고, 2차 성장 제약 시스템(152)의 컴포넌트들은 또한, 전극 어셈블리(106)를 갖는 에너지 저장 디바이스(110) 또는 2차 배터리(102)의 크기를 과도하게 증가시키지 않고 효과적인 저지를 제공할 뿐만 아니라 전극 어셈블리(106)의 체적을 보다 효율적으로 이용하기 위해, 전극 어셈블리(106) 내에 애노드(110) 및/또는 캐소드 구조체들(112)로서, 각각, 구현될 수 있다. 예를 들어, 일 실시예에서, 1차 성장 제약 시스템(151) 및/또는 2차 성장 제약 시스템(152)은 하나 이상의 애노드 구조체(110)에 부착될 수 있다. 추가의 예로서, 일 실시예에서 1차 성장 제약 시스템(151) 및/또는 2차 성장 제약 시스템(152)은 하나 이상의 캐소드 구조체(112)에 부착될 수 있다. 추가의 예로서, 특정 실시예들에서, 적어도 하나의 2차 접속 멤버(166)는 애노드 구조체들(110)의 집단으로서 구현될 수 있다. 추가의 예로서, 특정 실시예들에서, 적어도 하나의 2차 접속 멤버(166)는 캐소드 구조체들(112)의 집단으로서 구현될 수 있다.
이제 도 7을 참조하면, 수직 축(Z 축), 세로 축(Y 축), 및 가로 축(X 축) - X 축은 페이지의 평면으로부터 나오는 것으로 배향됨 -; 및, 위에 설명된 바와 같이, Y 축과 상호 평행한(co-parallel) 적층 방향 D의 지정(designation)을 갖는 데카르트 좌표계가 참조를 위해 도시된다. 보다 구체적으로, 도 7은, 1차 성장 제약 시스템(151)의 일 실시예 및 2차 성장 제약 시스템(152)의 일 실시예 양자 모두를 포함하는, 전극 제약들의 세트(108)의, 도 1b에서와 같은 라인 A-A'를 따른, 단면을 도시한다. 1차 성장 제약 시스템(151)은, 위에 설명된 바와 같은, 제1 1차 성장 제약(154) 및 제2 1차 성장 제약(156), 및, 위에 설명된 바와 같은, 제1 1차 접속 멤버(162) 및 제2 1차 접속 멤버(164)를 포함한다. 2차 성장 제약 시스템(152)은 제1 2차 성장 제약(158), 제2 2차 성장 제약(160), 및 애노드 구조체들(110)의 집단 및/또는 캐소드 구조체들(112)의 집단으로서 구현되는 적어도 하나의 2차 접속 멤버(166)를 포함하고; 따라서, 이러한 실시예에서, 적어도 하나의 2차 접속 멤버(166), 애노드 구조체들(110), 및/또는 캐소드 구조체들(112)은 교환 가능한 것으로 이해될 수 있다. 또한, 분리기(130)가 2차 접속 멤버(166)의 일부분을 또한 형성할 수 있다. 또한, 이러한 실시예에서, 제1 1차 접속 멤버(162) 및 제1 2차 성장 제약(158)은, 위에 설명된 바와 같이, 교환 가능하다. 추가로 여전히, 이러한 실시예에서, 제2 1차 접속 멤버(164) 및 제2 2차 성장 제약(160)은, 위에 설명된 바와 같이, 교환 가능하다. 보다 구체적으로, 도 7에는 제1 2차 성장 제약(158) 및 제2 2차 성장 제약(160)과의 애노드(110) 또는 캐소드 구조체(112)에 대응하는 2차 접속 멤버(166)의 플러시 접속의 일 실시예가 도시된다. 플러시 접속은 제1 2차 성장 제약(158)과 2차 접속 멤버(166) 사이의 글루의 층(layer of glue)(182), 및 제2 2차 성장 제약(160)과 2차 접속 멤버(166) 사이의 글루의 층(182)을 추가로 포함할 수 있다. 글루의 층들(182)은 제1 2차 성장 제약(158)을 2차 접속 멤버(166)에 부착(affix)시키고, 제2 2차 성장 제약(160)을 2차 접속 멤버(166)에 부착시킨다.
또한, 제1 및 제2 1차 성장 제약들(154, 156), 제1 및 제2 1차 접속 멤버들(162, 164), 제1 및 제2 2차 성장 제약들(158, 160), 및 적어도 하나의 2차 접속 멤버(166) 중 하나 이상은 단일 멤버를 형성하도록 함께 접합(join)될 수 있는 복수의 세그먼트들(1088) 또는 파트들의 형태로 제공될 수 있다. 예를 들어, 도 7에 도시되는 바와 같은 실시예에 도시되는 바와 같이, 제1 2차 성장 제약(158)은 전극 어셈블리(106)의 세로 단부들(117, 119) 쪽으로 위치되는 메인 중간 세그먼트(main middle segment)(1088a) 및 제1 및 제2 단부 세그먼트들(1088b)의 형태로 제공되고, 중간 세그먼트(1088a)는, 세그먼트들(1088)을 서로 접합시키기 위해 상호 접속될 수 있는 세그먼트들(1088)에 형성되는 노치들과 같은, 세그먼트들(1088)을 접속하기 위해 제공되는 접속 부분(1089)에 의해 각각의 제1 및 제2 단부 세그먼트(1088b)에 접속된다. 제2 2차 성장 제약(160)은, 도 7에 도시되는 바와 같이, 제약을 형성하기 위해 함께 접속될 수 있는 복수의 세그먼트들(1088)의 형태로 유사하게 제공될 수 있다. 일 실시예에서, 2차 성장 제약들(158, 160), 적어도 하나의 1차 접속 멤버(162), 및/또는 적어도 하나의 2차 접속 멤버(166) 중 하나 이상이, 완전한 멤버를 형성하기 위해 노치들과 같은, 접속 부분들을 통해 함께 접속될 수 있는 복수의 세그먼트들(1088)의 형태로 또한 제공될 수 있다. 일 실시예에 따르면, 노치 또는 다른 접속 부분을 통해 세그먼트들(1088)을 함께 접속시키는 것은 세그먼트들이 접속될 때 복수의 세그먼트들로 형성되는 멤버의 프리텐셔닝(pre-tensioning)을 제공할 수 있다.
일 실시예에서, 애노드 활성 재료 층(132), 이온적으로 다공성인 애노드 전류 콜렉터(136), 및 애노드 활성 재료 층(132) 및 애노드 전류 콜렉터(136)를 지지하는 애노드 백본(134)을 갖는 애노드 집단(110)의 멤버들이 도 7에 추가로 도시된다. 유사하게, 일 실시예에서, 캐소드 활성 재료 층(138), 캐소드 콜렉터(140), 및 캐소드 활성 재료 층(138) 및 캐소드 전류 콜렉터(140)를 지지하는 캐소드 백본(141)을 갖는 캐소드 집단(112)의 멤버들이 도 7에 도시된다.
애노드 집단(110)의 멤버들이 애노드 백본(134)에 바로 인접하는 애노드 활성 재료 층(132), 및 애노드 백본(134) 및 애노드 활성 재료 층(132)에 바로 인접하고 이들을 효과적으로 둘러싸는 애노드 전류 콜렉터(136)를 포함하는 것으로 본 명세서에 도시되고 설명되었지만, 해당 분야에서의 기술자는 애노드 집단(110)의 다른 배열들이 고려되어 왔다는 점을 이해할 것이다. 예를 들어, 일 실시예에서(도시되지 않음), 애노드 집단(110)은 애노드 전류 콜렉터(136)에 바로 인접하는 애노드 활성 재료 층(132), 및 애노드 백본(134)에 바로 인접하는 애노드 전류 콜렉터(136)를 포함할 수 있다. 대안적으로 언급하자면, 애노드 백본(134)은 애노드 전류 콜렉터(136)에 의해 효과적으로 둘러싸일 수 있고, 애노드 활성 재료 층(132)은 애노드 전류 콜렉터(136) 옆에 바로 인접하고 있다. 해당 분야에서의 기술자에 의해 이해될 바와 같이, 애노드 활성 재료 층(132)이 분리기(130)를 통해 캐소드 활성 재료 층(138)으로부터 분리되는 한, 애노드 집단(110) 및/또는 캐소드 집단(112)의 임의의 적합한 구성이 본 명세서에 설명되는 발명 주제에 적용될 수 있다. 또한, 애노드 전류 콜렉터(136)는 애노드 활성 재료 층(132)과 분리기(130) 사이에 위치되면 이온 투과성일 것이 요구되고; 캐소드 전류 콜렉터(140)는 캐소드 활성 재료 층(138)과 분리기(130) 사이에 위치되면 이온 투과성이 요구된다.
도시의 용이함을 위해, 애노드 집단(110)의 3개의 멤버들 및 캐소드 집단(112)의 4개의 멤버들만이 묘사되지만; 그러나, 실제로는, 본 명세서에서의 발명 주제를 사용하는 에너지 저장 디바이스(100) 또는 2차 배터리(102)는, 위에 설명된 바와 같이, 에너지 저장 디바이스(100) 또는 2차 배터리(102)의 적용에 의존하여 애노드(110) 및 캐소드(112) 집단들의 추가 멤버들을 포함할 수 있다. 추가로 여전히, 애노드 활성 재료 층(132)을 캐소드 활성 재료 층(138)으로부터 전기적으로 절연시키는 미세다공성 분리기(130)가 도 7에 도시된다.
또한, 제1 및 제2 2차 성장 제약들(각각, 158, 160)을 접속하기 위해, 제약들(158, 160)이, 도시되는 바와 같이 점착에 의해서와 같은, 적합한 수단에 의해, 또는 대안적으로, 전류 콜렉터들(136, 140)에 용접되는 것에 의해서와 같은, 용접되는 것에 의해 적어도 하나의 접속 멤버(166)에 부착될 수 있다. 예를 들어, 제1 및/또는 제2 2차 성장 제약들(각각, 158,160)은, 부착, 점착, 본딩, 용접 등 중 적어도 하나에 의해, 애노드 및/또는 캐소드 전류 콜렉터(136,140)의 애노드 및/또는 캐소드 백본(각각, 134,141) 중 적어도 하나와 같은, 애노드 구조체(110) 및/또는 캐소드 구조체(112) 중 적어도 하나에 대응하는 2차 접속 멤버(166)에 부착될 수 있다. 일 실시예에 따르면, 애노드(110) 및/또는 캐소드 구조체들(112)의 하나 이상의 단부를 제1 및/또는 제2 2차 성장 제약들(각각, 158, 160) 중 적어도 하나에 부착시키는데 글루 또는 다른 접착제 재료를 사용하면서, 제1 및/또는 제2 2차 성장 제약들(각각, 158, 160)이 제1 및/또는 제2 2차 성장 제약들(각각, 158, 160)을, 애노드(100) 및/또는 캐소드 구조체들(112)의 집단의 단부들과 같은, 하나 이상의 2차 접속 멤버(166)의 단부에 기계적으로 가압(pressing)하는 것에 의해 2차 접속 멤버(166)에 부착될 수 있다.
애노드 구조체들의 집단
도 7을 다시 참조하면, 애노드 구조체들(110)의 집단의 각각의 멤버는 제1 2차 성장 제약(158)에 인접하는 상부(1052), 제2 2차 성장 제약(160)에 인접하는 하부(1054), 및 Z 축에 평행한 수직 축 AES(표기되지 않음)를 둘러싸는 측방향 표면(표기되지 않음)을 또한 포함할 수 있고, 이러한 측방향 표면은 상부(1052) 및 하부(1054)를 접속한다. 애노드 구조체들(110)은 길이 LA, 폭 WA, 및 높이 HA를 추가로 포함한다. 길이 LA는 측방향 표면에 의해 경계가 정해지고 X 축을 따라 측정된다. 폭 WA는 측방향 표면에 의해 경계가 정해지고 Y 축을 따라 측정되고, 높이 HA는 수직 축 AES 또는 Z 축을 따라 상부(1052)로부터 하부(1054)까지 측정된다.
애노드 집단(110)의 멤버들의 LA은 에너지 저장 디바이스(100) 또는 2차 배터리(102) 및 그들의 의도되는 용도(들)에 의존하여 달라질 것이다. 그러나, 일반적으로, 애노드 집단(110)의 멤버들은 약 5 mm 내지 약 500 mm의 범위에 있는 LA를 통상적으로 가질 것이다. 예를 들어, 하나의 이러한 실시예에서, 애노드 집단(110)의 멤버들은 약 10 mm 내지 약 250 mm의 LA를 갖는다. 추가의 예로서, 하나의 이러한 실시예에서, 애노드 집단(110)의 멤버들은 약 20 mm 내지 약 100 mm의 LA를 갖는다.
애노드 집단(110)의 멤버들의 WA은 에너지 저장 디바이스(100) 또는 2차 배터리(102) 및 그들의 의도되는 용도(들)에 의존하여 또한 달라질 것이다. 그러나, 일반적으로, 애노드 집단(110)의 각각의 멤버는 약 0.01 mm 내지 2.5 mm의 범위에 있는 WA를 통상적으로 가질 것이다. 예를 들어, 일 실시예에서, 애노드 집단(110)의 각각의 멤버의 WA는 약 0.025 mm 내지 약 2 mm의 범위에 있을 것이다. 추가의 예로서, 일 실시예에서 애노드 집단(110)의 각각의 멤버의 WA는 약 0.05 mm 내지 약 1 mm의 범위에 있을 것이다.
애노드 집단(110)의 멤버들의 HA는 에너지 저장 디바이스(100) 또는 2차 배터리(102) 및 그들의 의도되는 용도(들)에 의존하여 또한 달라질 것이다. 그러나, 일반적으로, 애노드 집단(110)의 멤버들은 약 0.05 mm 내지 약 10 mm의 범위에 있는 HA를 통상적으로 가질 것이다. 예를 들어, 일 실시예에서, 애노드 집단(110)의 각각의 멤버의 HA는 약 0.05 mm 내지 약 5 mm의 범위에 있을 것이다. 추가의 예로서, 일 실시예에서, 애노드 집단(110)의 각각의 멤버의 HA는 약 0.1 mm 내지 약 1 mm의 범위에 있을 것이다.
다른 실시예에서, 애노드 구조체들(110)의 집단의 각각의 멤버는 Z 축에 평행한 수직 축 AESB를 갖는 애노드 구조체 백본(134)을 포함할 수 있다. 애노드 구조체 백본(134)은 수직 축 AESB 주위에 애노드 구조체 백본(134)을 둘러싸는 애노드 활성 재료의 층(132)을 또한 포함할 수 있다. 대안적으로 언급하자면, 애노드 구조체 백본(134)은 애노드 활성 재료의 층(132)에 대한 기계적 안정성을 제공하고, 1차 성장 제약 시스템(151) 및/또는 2차 제약 시스템(152)에 대한 부착의 포인트를 제공할 수 있다. 특정 실시예들에서, 애노드 활성 재료의 층(132)은 애노드 활성 재료의 층(132)으로의 캐리어 이온들의 삽입 시에 팽창하고, 애노드 활성 재료의 층(132)으로부터의 캐리어 이온들의 추출 시에 수축한다. 애노드 구조체 백본(134)은 제1 2차 성장 제약(158)에 인접하는 상부(1056), 제2 2차 성장 제약(160)에 인접하는 하부(1058), 및 수직 축 AESB를 둘러싸고 상부(1056) 및 하부(1058)를 접속하는 측방향 표면(표기되지 않음)을 또한 포함할 수 있다. 애노드 구조체 백본(134)은 길이 LESB, 폭 WESB, 및 높이 HESB 를 추가로 포함한다. 길이 LESB는 측방향 표면에 의해 경계가 정해지고 X 축을 따라 측정된다. 폭 WESB는 측방향 표면에 의해 경계가 정해지고 Y 축을 따라 측정되고, 높이 HESB는 상부(1056)로부터 하부(1058)까지 Z 축을 따라 측정된다.
애노드 구조체 백본(134)의 LESB는 에너지 저장 디바이스(100) 또는 2차 배터리(102) 및 그들의 의도되는 용도(들)에 의존하여 달라질 것이다. 그러나, 일반적으로, 애노드 구조체 백본(134)은 약 5 mm 내지 약 500 mm의 범위에 있는 LESB를 통상적으로 가질 것이다. 예를 들어, 하나의 이러한 실시예에서, 애노드 구조체 백본(134)은 약 10 mm 내지 약 250 mm의 LESB를 가질 것이다. 추가의 예로서, 하나의 이러한 실시예에서, 애노드 구조체 백본(134)은 약 20 mm 내지 약 100 mm의 LESB를 가질 것이다. 일 실시예에 따르면, 애노드 구조체 백본(134)은 적어도 하나의 접속 멤버(166)로서 작용하는 애노드 구조체(110)의 서브구조체일 수 있다.
애노드 구조체 백본(134)의 WESB은 에너지 저장 디바이스(100) 또는 2차 배터리(102) 및 그들의 의도되는 용도(들)에 의존하여 또한 달라질 것이다. 그러나, 일반적으로, 각각의 애노드 구조체 백본(134)은 적어도 1 마이크로미터의 WESB를 통상적으로 가질 것이다. 예를 들어, 일 실시예에서, 각각의 애노드 구조체 백본(134)의 WESB는 실질적으로 더 두꺼울 수 있지만, 일반적으로 500 마이크로미터를 초과하는 두께를 갖지 않을 것이다. 추가의 예로서, 일 실시예에서, 각각의 애노드 구조체 백본(134)의 WESB는 약 1 내지 약 50 마이크로미터의 범위에 있을 것이다.
애노드 구조체 백본(134)의 HESB는 에너지 저장 디바이스(100) 또는 2차 배터리(102) 및 그들의 의도되는 용도(들)에 의존하여 또한 달라질 것이다. 그러나, 일반적으로, 애노드 구조체 백본(134)은 적어도 약 50 마이크로미터, 보다 통상적으로는 적어도 약 100 마이크로미터의 HESB를 통상적으로 가질 것이다. 추가로, 일반적으로, 애노드 구조체 백본(134)은 약 10,000 마이크로미터 이하, 보다 통상적으로 약 5,000 마이크로미터 이하의 HESB를 통상적으로 가질 것이다. 예를 들어, 일 실시예에서, 각각의 애노드 구조체 백본(134)의 HESB는 약 0.05 mm 내지 약 10 mm의 범위에 있을 것이다. 추가의 예로서, 일 실시예에서, 각각의 애노드 구조체 백본(134)의 HESB는 약 0.05 mm 내지 약 5 mm의 범위에 있을 것이다. 추가의 예로서, 일 실시예에서, 각각의 애노드 구조체 백본(134)의 HESB는 약 0.1 mm 내지 약 1 mm의 범위에 있을 것이다.
적용에 의존하여, 애노드 구조체 백본(134)은 전기적 도전성 또는 절연성일 수 있다. 예를 들어, 일 실시예에서, 애노드 구조체 백본(134)은 전기적 도전성일 수 있고, 애노드 활성 재료(132)에 대한 애노드 전류 콜렉터(136)를 포함할 수 있다. 하나의 이러한 실시예에서, 애노드 구조체 백본(134)은 적어도 약 103 Siemens/cm의 도전율을 갖는 애노드 전류 콜렉터(136)를 포함한다. 추가의 예로서, 하나의 이러한 실시예에서, 애노드 구조체 백본(134)은 적어도 약 104 Siemens/cm의 도전율을 갖는 애노드 전류 콜렉터(136)를 포함한다. 추가의 예로서, 하나의 이러한 실시예에서, 애노드 구조체 백본(134)은 적어도 약 105 Siemens/cm의 도전율을 갖는 애노드 전류 콜렉터(136)를 포함한다. 다른 실시예들에서, 애노드 구조체 백본(134)은 비교적 비도전성이다. 예를 들어, 일 실시예에서, 애노드 구조체 백본(134)은 10 Siemens/cm 미만의 전기 도전율을 갖는다. 추가의 예로서, 일 실시예에서, 애노드 구조체 백본(134)은 1 Siemens/cm 미만의 전기 도전율을 갖는다. 추가의 예로서, 일 실시예에서 애노드 구조체 백본(134)은 10-1 Siemens/cm 미만의 전기 도전율을 갖는다.
특정 실시예들에서, 애노드 구조체 백본(134)은, 금속들, 반도체들, 유기물들, 세라믹들, 및 유리들과 같은, 형상화될 수 있는 임의의 재료를 포함할 수 있다. 예를 들어, 특정 실시예들에서, 재료들은 실리콘 및 게르마늄과 같은 반도체 재료들을 포함한다. 그러나, 대안적으로, 탄소계 유기 재료들, 또는, 알루미늄, 구리, 니켈, 코발트, 티타늄, 및 텅스텐과 같은, 금속들이 애노드 구조체 백본(134)에 또한 포함될 수 있다. 하나의 예시적인 실시예에서, 애노드 구조체 백본(134)은 실리콘을 포함한다. 실리콘은, 예를 들어, 단결정 실리콘, 다결정 실리콘, 비정질 실리콘, 또는 이들의 조합일 수 있다.
특정 실시예들에서, 애노드 활성 재료 층(132)은 적어도 1 마이크로미터의 두께를 가질 수 있다. 그러나, 통상적으로, 애노드 활성 재료 층(132) 두께는 통상적으로 200 마이크로미터를 초과하지 않을 것이다. 예를 들어, 일 실시예에서, 애노드 활성 재료 층(132)은 약 1 내지 50 마이크로미터의 두께를 가질 수 있다. 추가의 예로서, 일 실시예에서, 애노드 활성 재료 층(132)은 약 2 내지 약 75 마이크로미터의 두께를 가질 수 있다. 추가의 예로서, 일 실시예에서, 애노드 활성 재료 층(132)은 약 10 내지 약 100 마이크로미터의 두께를 가질 수 있다. 추가의 예로서, 일 실시예에서, 애노드 활성 재료 층(132)은 약 5 내지 약 50 마이크로미터의 두께를 가질 수 있다.
특정 실시예들에서, 애노드 전류 콜렉터(136)는 분리기(130)로부터 애노드 활성 재료 층(132)으로의 캐리어 이온들의 이동을 용이하게 하기에 충분한 캐리어 이온들에 대한 이온 투과율(ionic permeability), 및 전류 콜렉터로서 역할을 할 수 있게 해주기에 충분한 전기 도전율을 갖는 이온적 투과성 도전체 재료를 포함한다. 애노드 활성 재료 층(132)과 분리기(130) 사이에 배치될 때, 애노드 전류 콜렉터(136)는 애노드 전류 콜렉터(136)로부터의 전류를 애노드 활성 재료 층(132)의 표면을 가로질러 분산시키는 것에 의해 보다 균일한 캐리어 이온 수송을 용이하게 할 수 있다. 이것은, 결국, 캐리어 이온들의 보다 균일한 삽입 및 추출을 용이하게 하고, 그렇게 함으로써 사이클링 동안 애노드 활성 재료 층(132)에서의 스트레스를 감소시킬 수 있고; 애노드 전류 콜렉터(136)가 분리기(130)를 대면하는 애노드 활성 재료 층(132)의 표면에 전류를 분산시키므로, 캐리어 이온들에 대한 애노드 활성 재료 층(132)의 반응성은 캐리어 이온 농도가 최대인 곳에서 최대일 것이다.
애노드 전류 콜렉터(136)는 이온적 그리고 전기적 양자 모두로 도전성인 이온적 투과성 도전체 재료를 포함한다. 상이하게 언급하자면, 애노드 전류 콜렉터(136)는 이온적 투과성 도전체 층의 하나의 측 상의 바로 인접하는 애노드 활성 재료 층(132)과 전기화학적 스택 또는 전극 어셈블리(106)에서의 애노드 전류 콜렉터(136)의 다른 측 상의 바로 인접하는 분리기 층(130) 사이의 캐리어 이온들의 이동을 용이하게 하는 캐리어 이온들에 대한 두께, 전기 도전율, 및 이온 도전율을 갖는다. 비교적(on a relative basis), 디바이스(100)에 에너지를 저장하도록 인가되는 전류 또는 디바이스(100)를 방전시키도록 인가되는 부하가 존재할 때 애노드 전류 콜렉터(136)는 자신의 이온 컨덕턴스(ionic conductance) 초과의 전기 컨덕턴스(electrical conductance)를 갖는다. 예를 들어, 디바이스(100)에 에너지를 저장하도록 인가되는 전류 또는 디바이스(100)를 방전시키도록 인가되는 부하가 존재할 때 애노드 전류 콜렉터(136)의 (캐리어 이온들에 대한) 전기 컨덕턴스 대 이온 컨덕턴스의 비율은 통상적으로, 각각, 적어도 1,000:1일 것이다. 추가의 예로서, 하나의 이러한 실시예에서, 디바이스(100)에 에너지를 저장하도록 인가되는 전류 또는 디바이스(100)를 방전시키도록 인가되는 부하가 존재할 때 애노드 전류 콜렉터(136)의 (캐리어 이온들에 대한) 전기 컨덕턴스 대 이온 컨덕턴스의 비율은, 각각, 적어도 5,000:1이다. 추가의 예로서, 하나의 이러한 실시예에서, 디바이스(100)에 에너지를 저장하도록 인가되는 전류 또는 디바이스(100)를 방전시키도록 인가되는 부하가 존재할 때 애노드 전류 콜렉터(136)의 (캐리어 이온들에 대한) 전기 컨덕턴스 대 이온 컨덕턴스의 비율은, 각각, 적어도 10,000:1이다. 추가의 예로서, 하나의 이러한 실시예에서, 디바이스(100)에 에너지를 저장하도록 인가되는 전류 또는 디바이스(100)를 방전시키도록 인가되는 부하가 존재할 때 애노드 전류 콜렉터(136) 층의 (캐리어 이온들에 대한) 전기 컨덕턴스 대 이온 컨덕턴스의 비율은, 각각, 적어도 50,000:1이다. 추가의 예로서, 하나의 이러한 실시예에서, 디바이스(100)에 에너지를 저장하도록 인가되는 전류 또는 디바이스(100)를 방전시키도록 인가되는 부하가 존재할 때 애노드 전류 콜렉터(136)의 (캐리어 이온들에 대한) 전기 컨덕턴스 대 이온 컨덕턴스의 비율은, 각각, 적어도 100,000:1이다.
일 실시예에서, 그리고 2차 배터리(102)가 충전 또는 방전되고 있을 때와 같이, 디바이스(100)에 에너지를 저장하도록 인가되는 전류 또는 디바이스(100)를 방전시키도록 인가되는 부하가 존재할 때, 애노드 전류 콜렉터(136)는 인접하는 분리기 층(130)의 이온 컨덕턴스와 비슷한 이온 컨덕턴스를 갖는다. 예를 들어, 일 실시예에서, 디바이스(100)에 에너지를 저장하도록 인가되는 전류 또는 디바이스(100)를 방전시키도록 인가되는 부하가 존재할 때, 애노드 전류 콜렉터(136)는 분리기 층(130)의 이온 컨덕턴스의 적어도 50%(즉, 각각, 0.5:1의 비율)인 (캐리어 이온들에 대한) 이온 컨덕턴스를 갖는다. 추가의 예로서, 일부 실시예들에서, 디바이스(100)에 에너지를 저장하도록 인가되는 전류 또는 디바이스(100)를 방전시키도록 인가되는 부하가 존재할 때 애노드 전류 콜렉터(136)의 (캐리어 이온들에 대한) 이온 컨덕턴스 대 분리기 층(130)의 (캐리어 이온들에 대한) 이온 컨덕턴스의 비율은 적어도 1:1이다. 추가의 예로서, 일부 실시예들에서, 디바이스(100)에 에너지를 저장하도록 인가되는 전류 또는 디바이스(100)를 방전시키도록 인가되는 부하가 존재할 때 애노드 전류 콜렉터(136)의 (캐리어 이온들에 대한) 이온 컨덕턴스 대 분리기 층(130)의 (캐리어 이온들에 대한) 이온 컨덕턴스의 비율은 적어도 1.25:1이다. 추가의 예로서, 일부 실시예들에서, 디바이스(100)에 에너지를 저장하도록 인가되는 전류 또는 디바이스(100)를 방전시키도록 인가되는 부하가 존재할 때 애노드 전류 콜렉터(136)의 (캐리어 이온들에 대한) 이온 컨덕턴스 대 분리기 층(130)의 (캐리어 이온들에 대한) 이온 컨덕턴스의 비율은 적어도 1.5:1이다. 추가의 예로서, 일부 실시예들에서, 디바이스(100)에 에너지를 저장하도록 인가되는 전류 또는 디바이스(100)를 방전시키도록 인가되는 부하가 존재할 때 애노드 전류 콜렉터(136)의 (캐리어 이온들에 대한) 이온 컨덕턴스 대 분리기 층(130)의 (캐리어 이온들에 대한) 이온 컨덕턴스의 비율은 적어도 2:1이다.
일 실시예에서, 애노드 전류 콜렉터(136)는 실질적으로 애노드 활성 재료 층(132)의 전기 컨덕턴스 초과인 전기 컨덕턴스를 또한 갖는다. 예를 들어, 일 실시예에서, 디바이스(100)에 에너지를 저장하도록 인가되는 전류 또는 디바이스(100)를 방전시키도록 인가되는 부하가 존재할 때 애노드 전류 콜렉터(136)의 전기 컨덕턴스 대 애노드 활성 재료 층(132)의 전기 컨덕턴스의 비율은 적어도 100:1이다. 추가의 예로서, 일부 실시예들에서, 디바이스(100)에 에너지를 저장하도록 인가되는 전류 또는 디바이스(100)를 방전시키도록 인가되는 부하가 존재할 때 애노드 전류 콜렉터(136)의 전기 컨덕턴스 대 애노드 활성 재료 층(132)의 전기 컨덕턴스의 비율은 적어도 500:1이다. 추가의 예로서, 일부 실시예들에서, 디바이스(100)에 에너지를 저장하도록 인가되는 전류 또는 디바이스(100)를 방전시키도록 인가되는 부하가 존재할 때 애노드 전류 콜렉터(136)의 전기 컨덕턴스 대 애노드 활성 재료 층(132)의 전기 컨덕턴스의 비율은 적어도 1000:1이다. 추가의 예로서, 일부 실시예들에서, 디바이스(100)에 에너지를 저장하도록 인가되는 전류 또는 디바이스(100)를 방전시키도록 인가되는 부하가 존재할 때 애노드 전류 콜렉터(136)의 전기 컨덕턴스 대 애노드 활성 재료 층(132)의 전기 컨덕턴스의 비율은 적어도 5000:1이다. 추가의 예로서, 일부 실시예들에서, 디바이스(100)에 에너지를 저장하도록 인가되는 전류 또는 디바이스(100)를 방전시키도록 인가되는 부하가 존재할 때 애노드 전류 콜렉터(136)의 전기 컨덕턴스 대 애노드 활성 재료 층(132)의 전기 컨덕턴스의 비율은 적어도 10,000:1이다.
특정 실시예들에서의 애노드 전류 콜렉터 층(136)의 두께(즉, 분리기(130)와, 일 실시예에서, 애노드 전류 콜렉터 층(136)이 샌드위치는 애노드형 활성 재료 층 사이의 최단 거리)는 층(136)의 조성 및 전기화학적 스택에 대한 성능 사양들에 의존할 것이다. 일반적으로, 애노드 전류 콜렉터 층(136)이 이온적 투과성 도전체 층일 때, 이것은 적어도 약 300 옹스트롬의 두께를 가질 것이다. 예를 들어, 일부 실시예들에서, 이것은 약 300 내지 800 옹스트롬의 범위에 있는 두께를 가질 수 있다. 그러나, 보다 통상적으로, 이것은 약 0.1 마이크로미터 초과의 두께를 가질 것이다. 일반적으로, 이온적 투과성 도전체 층은 약 100 마이크로미터 이하의 두께를 가질 것이다. 따라서, 예를 들어, 일 실시예에서, 전극 전류 콜렉터 층(136)은 약 0.1 내지 약 10 마이크로미터의 범위에 있는 두께를 가질 것이다. 추가의 예로서, 일부 실시예들에서, 애노드 전류 콜렉터 층(136)은 약 0.1 내지 약 5 마이크로미터의 범위에 있는 두께를 가질 것이다. 추가의 예로서, 일부 실시예들에서, 애노드 전류 콜렉터 층(136)은 약 0.5 내지 약 3 마이크로미터의 범위에 있는 두께를 가질 것이다. 일반적으로, 애노드 전류 콜렉터 층(136)의 두께가 대략 균일한 것이 바람직하다. 예를 들어, 일 실시예에서, 애노드 전류 콜렉터 층(136)이 약 25% 미만의 두께 불균일성(thickness non-uniformity)을 갖는 것이 바람직하다. 특정 실시예들에서, 두께 변동은 훨씬 덜하다. 예를 들어, 일부 실시예들에서, 애노드 전류 콜렉터 층(136)은 약 20% 미만의 두께 불균일성을 갖는다. 추가의 예로서, 일부 실시예들에서, 애노드 전류 콜렉터 층(136)은 약 15% 미만의 두께 불균일성을 갖는다. 일부 실시예들에서, 이온적 투과성 도전체 층은 약 10% 미만의 두께 불균일성을 갖는다.
일 실시예에서, 애노드 전류 콜렉터 층(136)은 이온 투과율 및 전기 도전율에 기여하는 전기적 도전성 컴포넌트 및 이온 도전성 컴포넌트를 포함하는 이온적 투과성 도전체 층이다. 통상적으로, 전기적 도전성 컴포넌트는 연속적인 전기적 도전성 재료(예를 들어, 연속적인 금속 또는 금속 합금)를 포함하는 메시 또는 패터닝된 표면, 막, 또는 복합 재료의 형태인 연속적인 전기적 도전성 재료(예를 들어, 연속적인 금속 또는 금속 합금)를 포함할 것이다. 추가적으로, 이온 도전성 컴포넌트는 공극들, 예를 들어, 메시의 간극들, 패터닝된 금속 또는 금속 합금 함유 재료 층 사이의 공간들, 금속 막에서의 공극들, 또는 캐리어 이온들에 대해 충분한 확산도를 갖는 고체 이온 도전체를 통상적으로 포함할 것이다. 특정 실시예들에서, 이온적 투과성 도전체 층은 퇴적된 다공성 재료, 이온 수송 재료, 이온 반응성 재료, 복합 재료, 또는 물리적 다공성 재료를 포함한다. 다공성, 예를 들어, 이온적 투과성 도전체 층은 적어도 약 0.25의 공극률을 가질 수 있다. 그러나, 일반적으로, 공극률은 통상적으로 약 0.95를 초과하지 않을 것이다. 보다 통상적으로, 이온적 투과성 도전체 층이 다공성일 때 공극률은 약 0.25 내지 약 0.85의 범위에 있을 수 있다. 일부 실시예들에서, 예를 들어, 이온적 투과성 도전체 층이 다공성일 때 공극률은 약 0.35 내지 약 0.65의 범위에 있을 수 있다.
도 7에 도시되는 실시예에서, 애노드 전류 콜렉터 층(136)은 애노드 활성 재료 층(132)에 대한 유일한 애노드 전류 콜렉터이다. 상이하게 언급하자면, 애노드 구조체 백본(134)은 애노드 전류 콜렉터를 포함할 수 있다. 그러나, 특정 다른 실시예들에서, 애노드 구조체 백본(134)은 선택적으로 애노드 전류 콜렉터를 포함하지 않을 수 있다.
캐소드 구조체들의 집단
도 7을 다시 참조하면, 캐소드 구조체들(112)의 집단의 각각의 멤버는 제1 2차 성장 제약(158)에 인접하는 상부(1068), 제2 2차 성장 제약(160)에 인접하는 하부(1070), 및 Z축에 평행한 수직 축 ACES(표기되지 않음)를 둘러싸는 측방향 표면(표기되지 않음)을 또한 포함할 수 있고, 이러한 측방향 표면은 상부(1068) 및 하부(1070)를 접속한다. 캐소드 구조체들(112)은 길이 LC, 폭 WC, 및 높이 HC를 추가로 포함한다. 길이 LC는 측방향 표면에 의해 경계가 정해지고 X 축을 따라 측정된다. 폭 WC는 측방향 표면에 의해 경계가 정해지고 Y 축을 따라 측정되고, 높이 HC는 수직 축 ACES 또는 Z 축을 따라 상부(1068)로부터 하부(1070)까지 측정된다.
캐소드 집단(112)의 멤버들의 LC는 에너지 저장 디바이스(100) 또는 2차 배터리(102) 및 그들의 의도되는 용도(들)에 의존하여 달라질 것이다. 그러나, 일반적으로, 캐소드 집단(112)의 멤버들은 약 5 mm 내지 약 500 mm의 범위에 있는 LC를 통상적으로 가질 것이다. 예를 들어, 하나의 이러한 실시예에서, 캐소드 집단(112)의 멤버들은 약 10 mm 내지 약 250 mm의 LC를 갖는다. 추가의 예로서, 하나의 이러한 실시예에서, 캐소드 집단(112)의 멤버들은 약 25 mm 내지 약 100 mm의 LC를 갖는다.
캐소드 집단(112)의 멤버들의 WC는 에너지 저장 디바이스(100) 또는 2차 배터리(102) 및 그들의 의도되는 용도(들)에 의존하여 또한 달라질 것이다. 그러나, 일반적으로, 캐소드 집단(112)의 각각의 멤버는 약 0.01 mm 내지 2.5 mm의 범위에 있는 WC를 통상적으로 가질 것이다. 예를 들어, 일 실시예에서, 캐소드 집단(112)의 각각의 멤버의 WC는 약 0.025 mm 내지 약 2 mm의 범위에 있을 것이다. 추가의 예로서, 일 실시예에서, 캐소드 집단(112)의 각각의 멤버의 WC는 약 0.05 mm 내지 약 1 mm의 범위에 있을 것이다.
캐소드 집단(112)의 멤버들의 HC은 에너지 저장 디바이스(100) 또는 2차 배터리(102) 및 그들의 의도되는 용도(들)에 의존하여 또한 달라질 것이다. 그러나, 일반적으로, 캐소드 집단(112)의 멤버들은 약 0.05 mm 내지 약 10 mm의 범위에 있는 HC를 통상적으로 가질 것이다. 예를 들어, 일 실시예에서, 캐소드 집단(112)의 각각의 멤버의 HC는 약 0.05 mm 내지 약 5 mm의 범위에 있을 것이다. 추가의 예로서, 일 실시예에서, 캐소드 집단(112)의 각각의 멤버의 HC는 약 0.1 mm 내지 약 1 mm의 범위에 있을 것이다.
다른 실시예에서, 캐소드 구조체들(112)의 집단의 각각의 멤버는 Z 축에 평행한 수직 축 ACESB를 갖는 캐소드 구조체 백본(141)을 포함할 수 있다. 캐소드 구조체 백본(141)은 수직 축 ACESB 주위에 캐소드 구조체 백본(141)을 둘러싸는 캐소드 활성 재료(138)의 층을 또한 포함할 수 있다. 대안적으로 언급하자면, 캐소드 구조체 백본(141)은 캐소드 활성 재료(138)의 층에 대한 기계적 안정성을 제공하고, 1차 성장 제약 시스템(151) 및/또는 2차 성장 제약 시스템(152)에 대한 부착의 포인트를 제공할 수 있다. 캐소드 구조체 백본(141)은 제1 2차 성장 제약(158)에 인접하는 상부(1072), 제2 2차 성장 제약(160)에 인접하는 하부(1074), 및 수직 축 ACESB를 둘러싸고 상부(1072) 및 하부(1074)를 접속하는 측방향 표면(표기되지 않음)을 또한 포함할 수 있다. 캐소드 구조체 백본(141)은 길이 LCESB, 폭 WCESB, 및 높이 HCESB 를 추가로 포함한다. 길이 LCESB는 측방향 표면에 의해 경계가 정해지고 X 축을 따라 측정된다. 폭 WCESB는 측방향 표면에 의해 경계가 정해지고 Y 축을 따라 측정되고, 높이 HCESB는 상부(1072)로부터 하부(1074)까지 Z 축을 따라 측정된다.
캐소드 구조체 백본(141)의 LCESB는 에너지 저장 디바이스(100) 또는 2차 배터리(102) 및 그들의 의도되는 용도(들)에 의존하여 달라질 것이다. 그러나, 일반적으로, 캐소드 구조체 백본(141)은 약 5 mm 내지 약 500 mm의 범위에 있는 LCESB를 통상적으로 가질 것이다. 예를 들어, 하나의 이러한 실시예에서, 캐소드 구조체 백본(141)은 약 10 mm 내지 약 250 mm의 LCESB를 가질 것이다. 추가의 예로서, 하나의 이러한 실시예에서, 캐소드 구조체 백본(141)은 약 20 mm 내지 약 100 mm의 LCESB를 가질 것이다.
캐소드 구조체 백본(141)의 WCESB는 에너지 저장 디바이스(100) 또는 2차 배터리(102) 및 그들의 의도되는 용도(들)에 의존하여 또한 달라질 것이다. 그러나, 일반적으로, 각각의 캐소드 구조체 백본(141)은 적어도 1 마이크로미터의 WCESB를 통상적으로 가질 것이다. 예를 들어, 일 실시예에서, 각각의 캐소드 구조체 백본(141)의 WCESB는 실질적으로 더 두꺼울 수 있지만, 일반적으로 500 마이크로미터를 초과하는 두께를 갖지 않을 것이다. 추가의 예로서, 일 실시예에서, 각각의 캐소드 구조체 백본(141)의 WCESB는 약 1 내지 약 50 마이크로미터의 범위에 있을 것이다.
캐소드 구조체 백본(141)의 HCESB는 에너지 저장 디바이스(100) 또는 2차 배터리(102) 및 그들의 의도되는 용도(들)에 의존하여 또한 달라질 것이다. 그러나, 일반적으로, 캐소드 구조체 백본(141)은 적어도 약 50 마이크로미터, 보다 통상적으로 적어도 약 100 마이크로미터의 HCESB를 통상적으로 가질 것이다. 추가로, 일반적으로, 캐소드 구조체 백본(141)은 약 10,000 마이크로미터 이하, 보다 통상적으로 약 5,000 마이크로미터 이하의 HCESB를 통상적으로 가질 것이다. 예를 들어, 일 실시예에서, 각각의 캐소드 구조체 백본(141)의 HCESB는 약 0.05 mm 내지 약 10 mm의 범위에 있을 것이다. 추가의 예로서, 일 실시예에서, 각각의 캐소드 구조체 백본(141)의 HCESB는 약 0.05 mm 내지 약 5 mm의 범위에 있을 것이다. 추가의 예로서, 일 실시예에서, 각각의 캐소드 구조체 백본(141)의 HCESB는 약 0.1 mm 내지 약 1 mm의 범위에 있을 것이다.
적용에 의존하여, 캐소드 구조체 백본(141)은 전기적 도전성 또는 절연성일 수 있다. 예를 들어, 일 실시예에서, 캐소드 구조체 백본(141)은 전기적 도전성일 수 있고, 캐소드 활성 재료(138)에 대한 캐소드 전류 콜렉터(140)를 포함할 수 있다. 하나의 이러한 실시예에서, 캐소드 구조체 백본(141)은 적어도 약 103 Siemens/cm의 도전율을 갖는 캐소드 전류 콜렉터(140)를 포함한다. 추가의 예로서, 하나의 이러한 실시예에서, 캐소드 구조체 백본(141)은 적어도 약 104 Siemens/cm의 도전율을 갖는 캐소드 전류 콜렉터(140)를 포함한다. 추가의 예로서, 하나의 이러한 실시예에서, 캐소드 구조체 백본(141)은 적어도 약 105 Siemens/cm의 도전율을 갖는 캐소드 전류 콜렉터(140)를 포함한다. 다른 실시예들에서, 캐소드 구조체 백본(141)은 비교적 비도전성이다. 예를 들어, 일 실시예에서, 캐소드 구조체 백본(141)은 10 Siemens/cm 미만의 전기 도전율을 갖는다. 추가의 예로서, 일 실시예에서, 캐소드 구조체 백본(141)은 1 Siemens/cm 미만의 전기 도전율을 갖는다. 추가의 예로서, 일 실시예에서, 캐소드 구조체 백본(141)은 10-1 Siemens/cm 미만의 전기 도전율을 갖는다.
특정 실시예들에서, 캐소드 구조체 백본(141)은, 금속들, 반도체들, 유기물들, 세라믹들, 및 유리들과 같은, 형상화될 수 있는 임의의 재료를 포함할 수 있다. 예를 들어, 특정 실시예들에서, 재료들은 실리콘 및 게르마늄과 같은 반도체 재료들을 포함한다. 그러나, 대안적으로, 탄소계 유기 재료들, 또는, 알루미늄, 구리, 니켈, 코발트, 티타늄, 및 텅스텐과 같은, 금속들이 또한 캐소드 구조체 백본(141)에 또한 포함될 수 있다. 하나의 예시적인 실시예에서, 캐소드 구조체 백본(141)은 실리콘을 포함한다. 실리콘은, 예를 들어, 단결정 실리콘, 다결정 실리콘, 비정질 실리콘, 또는 이들의 조합일 수 있다.
특정 실시예들에서, 캐소드 활성 재료 층(138)은 적어도 1 마이크로미터의 두께를 가질 수 있다. 그러나, 통상적으로, 캐소드 활성 재료 층(138) 두께는 200 마이크로미터를 초과하지 않을 것이다. 예를 들어, 일 실시예에서, 캐소드 활성 재료 층(138)은 약 1 내지 50 마이크로미터의 두께를 가질 수 있다. 추가의 예로서, 일 실시예에서, 캐소드 활성 재료 층(138)은 약 2 내지 약 75 마이크로미터의 두께를 가질 수 있다. 추가의 예로서, 일 실시예에서, 캐소드 활성 재료 층(138)은 약 10 내지 약 100 마이크로미터의 두께를 가질 수 있다. 추가의 예로서, 일 실시예에서, 캐소드 활성 재료 층(138)은 약 5 내지 약 50 마이크로미터의 두께를 가질 수 있다.
특정 실시예들에서, 캐소드 전류 콜렉터(140)는 분리기(130)로부터 캐소드 활성 재료 층(138)으로의 캐리어 이온들의 이동을 용이하게 하기에 충분한 캐리어 이온들에 대한 이온 투과율, 및 전류 콜렉터로서 역할을 할 수 있게 해주기에 충분한 전기 도전율을 갖는 이온적 투과성 도전체 재료를 포함한다. 캐소드 활성 재료 층(138)과 분리기(130) 사이에 배치되는지 여부에 관계없이, 캐소드 전류 콜렉터(140)는 캐소드 전류 콜렉터(140)로부터의 전류를 캐소드 활성 재료 층(138)의 표면을 가로질러 분산시키는 것에 의해 보다 균일한 캐리어 이온 수송을 용이하게 할 수 있다. 이것은, 결국, 캐리어 이온들의 보다 균일한 삽입 및 추출을 용이하게 하고, 그렇게 함으로써 사이클링 동안 캐소드 활성 재료 층(138)에서의 스트레스를 감소시킬 수 있고; 캐소드 전류 콜렉터(140)가 분리기(130)를 대면하는 캐소드 활성 재료 층(138)의 표면에 전류를 분산시키므로, 캐리어 이온들에 대한 캐소드 활성 재료 층(138)의 반응성은 캐리어 이온 농도가 최대인 곳에서 최대일 것이다.
캐소드 전류 콜렉터(140)는 이온적 그리고 전기적 양자 모두로 도전성인 이온적 투과성 도전체 재료를 포함한다. 상이하게 언급하자면, 캐소드 전류 콜렉터(140)는 이온적 투과성 도전체 층의 하나의 측 상의 바로 인접하는 캐소드 활성 재료 층(138)과 전기화학적 스택 또는 전극 어셈블리(106)에서의 캐소드 전류 콜렉터(140)의 다른 측 상의 바로 인접하는 분리기 층(130) 사이의 캐리어 이온들의 이동을 용이하게 하는 캐리어 이온들에 대한 두께, 전기 도전율, 및 이온 도전율을 갖는다. 비교적, 디바이스(100)에 에너지를 저장하도록 인가되는 전류 또는 디바이스(100)를 방전시키도록 인가되는 부하가 존재할 때 캐소드 전류 콜렉터(140)는 자신의 이온 컨덕턴스 초과의 전기 컨덕턴스를 갖는다. 예를 들어, 디바이스(100)에 에너지를 저장하도록 인가되는 전류 또는 디바이스(100)를 방전시키도록 인가되는 부하가 존재할 때 캐소드 전류 콜렉터(140)의 (캐리어 이온들에 대한) 전기 컨덕턴스 대 이온 컨덕턴스의 비율은 통상적으로, 각각, 적어도 1,000:1일 것이다. 추가의 예로서, 하나의 이러한 실시예에서, 디바이스(100)에 에너지를 저장하도록 인가되는 전류 또는 디바이스(100)를 방전시키도록 인가되는 부하가 존재할 때 캐소드 전류 콜렉터(140)의 (캐리어 이온들에 대한) 전기 컨덕턴스 대 이온 컨덕턴스의 비율은, 각각, 적어도 5,000:1이다. 추가의 예로서, 하나의 이러한 실시예에서, 디바이스(100)에 에너지를 저장하도록 인가되는 전류 또는 디바이스(100)를 방전시키도록 인가되는 부하가 존재할 때 캐소드 전류 콜렉터(140)의 (캐리어 이온들에 대한) 전기 컨덕턴스 대 이온 컨덕턴스의 비율은, 각각, 적어도 10,000:1이다. 추가의 예로서, 하나의 이러한 실시예에서, 디바이스(100)에 에너지를 저장하도록 인가되는 전류 또는 디바이스(100)를 방전시키도록 인가되는 부하가 존재할 때 캐소드 전류 콜렉터(140) 층의 (캐리어 이온들에 대한) 전기 컨덕턴스 대 이온 컨덕턴스의 비율은, 각각, 적어도 50,000:1이다. 추가의 예로서, 하나의 이러한 실시예에서, 디바이스(100)에 에너지를 저장하도록 인가되는 전류 또는 디바이스(100)를 방전시키도록 인가되는 부하가 존재할 때 캐소드 전류 콜렉터(140)의 (캐리어 이온들에 대한) 전기 컨덕턴스 대 이온 컨덕턴스의 비율은, 각각, 적어도 100,000:1이다.
일 실시예에서, 그리고 에너지 저장 디바이스(100) 또는 2차 배터리(102)가 충전 또는 방전되고 있을 때와 같이, 디바이스(100)에 에너지를 저장하도록 인가되는 전류 또는 디바이스(100)를 방전시키도록 인가되는 부하가 존재할 때, 캐소드 전류 콜렉터(140)는 인접하는 분리기 층(130)의 이온 컨덕턴스와 비슷한 이온 컨덕턴스를 갖는다. 예를 들어, 일 실시예에서, 디바이스(100)에 에너지를 저장하도록 인가되는 전류 또는 디바이스(100)를 방전시키도록 인가되는 부하가 존재할 때, 캐소드 전류 콜렉터(140)는 분리기 층(130)의 이온 컨덕턴스의 적어도 50%(즉, 각각, 0.5:1의 비율)인 (캐리어 이온들에 대한) 이온 컨덕턴스를 갖는다. 추가의 예로서, 일부 실시예들에서, 디바이스(100)에 에너지를 저장하도록 인가되는 전류 또는 디바이스(100)를 방전시키도록 인가되는 부하가 존재할 때 캐소드 전류 콜렉터(140)의 (캐리어 이온들에 대한) 이온 컨덕턴스 대 분리기 층(130)의 (캐리어 이온들에 대한) 이온 컨덕턴스의 비율은 적어도 1:1이다. 추가의 예로서, 일부 실시예들에서, 디바이스(100)에 에너지를 저장하도록 인가되는 전류 또는 디바이스(100)를 방전시키도록 인가되는 부하가 존재할 때 캐소드 전류 콜렉터(140)의 (캐리어 이온들에 대한) 이온 컨덕턴스 대 분리기 층(130)의 (캐리어 이온들에 대한) 이온 컨덕턴스의 비율은 적어도 1.25:1이다. 추가의 예로서, 일부 실시예들에서, 디바이스(100)에 에너지를 저장하도록 인가되는 전류 또는 디바이스(100)를 방전시키도록 인가되는 부하가 존재할 때 캐소드 전류 콜렉터(140)의 (캐리어 이온들에 대한) 이온 컨덕턴스 대 분리기 층(130)의 (캐리어 이온들에 대한) 이온 컨덕턴스의 비율은 적어도 1.5:1이다. 추가의 예로서, 일부 실시예들에서, 디바이스(100)에 에너지를 저장하도록 인가되는 전류 또는 디바이스(100)를 방전시키도록 인가되는 부하가 존재할 때 캐소드 전류 콜렉터(140)의 (캐리어 이온들에 대한) 이온 컨덕턴스 대 분리기 층(130)의 ((애노드 전류 콜렉터 층) 캐리어 이온들에 대한) 이온 컨덕턴스의 비율은 적어도 2:1이다.
일 실시예에서, 캐소드 전류 콜렉터(140)는 실질적으로 캐소드 활성 재료 층(138)의 전기 컨덕턴스 초과인 전기 컨덕턴스를 또한 갖는다. 예를 들어, 일 실시예에서, 디바이스(100)에 에너지를 저장하도록 인가되는 전류 또는 디바이스(100)를 방전시키도록 인가되는 부하가 존재할 때 캐소드 전류 콜렉터(140)의 전기 컨덕턴스 대 캐소드 활성 재료 층(138)의 전기 컨덕턴스의 비율은 적어도 100:1이다. 추가의 예로서, 일부 실시예들에서, 디바이스(100)에 에너지를 저장하도록 인가되는 전류 또는 디바이스(100)를 방전시키도록 인가되는 부하가 존재할 때 캐소드 전류 콜렉터(140)의 전기 컨덕턴스 대 캐소드 활성 재료 층(138)의 전기 컨덕턴스의 비율은 적어도 적어도 500:1이다. 추가의 예로서, 일부 실시예들에서, 디바이스(100)에 에너지를 저장하도록 인가되는 전류 또는 디바이스(100)를 방전시키도록 인가되는 부하가 존재할 때 캐소드 전류 콜렉터(140)의 전기 컨덕턴스 대 캐소드 활성 재료 층(138)의 전기 컨덕턴스의 비율은 적어도 1000:1이다. 추가의 예로서, 일부 실시예들에서, 디바이스(100)에 에너지를 저장하도록 인가되는 전류 또는 디바이스(100)를 방전시키도록 인가되는 부하가 존재할 때 캐소드 전류 콜렉터(140)의 전기 컨덕턴스 대 캐소드 활성 재료 층(138)의 전기 컨덕턴스의 비율은 적어도 5000:1이다. 추가의 예로서, 일부 실시예들에서, 디바이스(100)에 에너지를 저장하도록 인가되는 전류 또는 디바이스(100)를 방전시키도록 인가되는 부하가 존재할 때 캐소드 전류 콜렉터(140)의 전기 컨덕턴스 대 캐소드 활성 재료 층(138)의 전기 컨덕턴스의 비율은 적어도 10,000:1이다.
특정 실시예들에서의 캐소드 전류 콜렉터 층(140)의 두께(즉, 분리기(130)와, 일 실시예에서, 캐소드 전류 콜렉터 층(140)이 샌드위치되는 캐소드 활성 재료 층(138) 사이의 최단 거리)는 층(140)의 조성 및 전기화학적 스택에 대한 성능 사양들에 의존할 것이다. 일반적으로, 캐소드 전류 콜렉터 층(140)이 이온적 투과성 도전체 층일 때, 이것은 적어도 약 300 옹스트롬의 두께를 가질 것이다. 예를 들어, 일부 실시예들에서, 이것은 약 300 내지 800 옹스트롬의 범위에 있는 두께를 가질 수 있다. 그러나, 보다 통상적으로, 이것은 약 0.1 마이크로미터 초과의 두께를 가질 것이다. 일반적으로, 이온적 투과성 도전체 층은 약 100 마이크로미터 이하의 두께를 가질 것이다. 따라서, 예를 들어, 일 실시예에서, 캐소드 전류 콜렉터 층(140)은 약 0.1 내지 약 10 마이크로미터의 범위에 있는 두께를 가질 것이다. 추가의 예로서, 일부 실시예들에서, 캐소드 전류 콜렉터 층(140)은 약 0.1 내지 약 5 마이크로미터의 범위에 있는 두께를 가질 것이다. 추가의 예로서, 일부 실시예들에서, 캐소드 전류 콜렉터 층(140)은 약 0.5 내지 약 3 마이크로미터의 범위에 있는 두께를 가질 것이다. 일반적으로, 캐소드 전류 콜렉터 층(140)의 두께가 대략 균일한 것이 바람직하다. 예를 들어, 일 실시예에서, 캐소드 전류 콜렉터 층(140)이 약 25% 미만의 두께 불균일성을 갖는 것이 바람직하다. 특정 실시예들에서, 두께 변동은 훨씬 덜하다. 예를 들어, 일부 실시예들에서, 캐소드 전류 콜렉터 층(140)은 약 20% 미만의 두께 불균일성을 갖는다. 추가의 예로서, 일부 실시예들에서, 캐소드 전류 콜렉터 층(140)은 약 15% 미만의 두께 불균일성을 갖는다. 일부 실시예들에서, 캐소드 전류 콜렉터 층(140)은 약 10% 미만의 두께 불균일성을 갖는다.
일 실시예에서, 캐소드 전류 콜렉터 층(140)은 이온 투과율 및 전기 도전율에 기여하는 전기적 도전성 컴포넌트 및 이온 도전성 컴포넌트를 포함하는 이온적 투과성 도전체 층이다. 통상적으로, 전기적 도전성 컴포넌트는 연속적인 전기적 도전성 재료(예를 들어, 연속적인 금속 또는 금속 합금)를 포함하는 메시 또는 패터닝된 표면, 막, 또는 복합 재료의 형태인 연속적인 전기적 도전성 재료(예를 들어, 연속적인 금속 또는 금속 합금)를 포함할 것이다. 추가적으로, 이온 도전성 컴포넌트는 공극들, 예를 들어, 메시의 간극들, 패터닝된 금속 또는 금속 합금 함유 재료 층 사이의 공간들, 금속 막에서의 공극들, 또는 캐리어 이온들에 대해 충분한 확산도를 갖는 고체 이온 도전체를 통상적으로 포함할 것이다. 특정 실시예들에서, 이온적 투과성 도전체 층은 퇴적된 다공성 재료, 이온 수송 재료, 이온 반응성 재료, 복합 재료, 또는 물리적 다공성 재료를 포함한다. 다공성, 예를 들어, 이온적 투과성 도전체 층은 적어도 약 0.25의 공극률을 가질 수 있다. 그러나, 일반적으로, 공극률은 통상적으로 약 0.95를 초과하지 않을 것이다. 보다 통상적으로, 이온적 투과성 도전체 층이 다공성일 때 공극률은 약 0.25 내지 약 0.85의 범위에 있을 수 있다. 일부 실시예들에서, 예를 들어, 이온적 투과성 도전체 층이 다공성일 때 공극률은 약 0.35 내지 약 0.65의 범위에 있을 수 있다.
도 7에 도시되는 실시예에서, 캐소드 전류 콜렉터 층(140)은 캐소드 활성 재료 층(138)에 대한 유일한 캐소드 전류 콜렉터이다. 상이하게 언급하자면, 캐소드 구조체 백본(141)은 캐소드 전류 콜렉터(140)를 포함할 수 있다. 그러나, 특정 다른 실시예들에서, 캐소드 구조체 백본(141)은 선택적으로 캐소드 전류 콜렉터(140)를 포함하지 않을 수 있다.
일 실시예에서, 제1 2차 성장 제약(158) 및 제2 2차 성장 제약(160) 각각은 내부 표면(각각, 1060 및 1062), 및 z 축을 따라 분리되는 대향하는 외부 표면(각각, 1064 및 1066)을 포함할 수 있고 그렇게 함으로써 제1 2차 성장 제약(158) 높이 H158 및 제2 2차 성장 제약(160) 높이 H160을 정의한다. 본 개시 내용의 양태들에 따르면, 제1 및/또는 제2 2차 성장 제약들(각각, 158, 160)의 높이들을 증가시키는 것은 제약들의 강성을 증가시킬 수 있지만, 증가된 체적을 또한 요구할 수 있고, 따라서 전극 어셈블리(106) 및 제약들의 세트(108)를 포함하는 에너지 저장 디바이스(100) 또는 2차 배터리(102)에 대한 에너지 밀도에서의 감소를 야기한다. 따라서, 제약들(158, 160)의 두께는 제약 재료 속성들, 전극(100)의 미리 결정된 팽창으로부터의 압력을 상쇄하는데 요구되는 제약의 강도, 및 다른 인자들에 따라 선택될 수 있다. 예를 들어, 일 실시예에서, 제1 및 제2 2차 성장 제약 높이들 H158 및 H160은, 각각, 높이 HES의 50% 미만일 수 있다. 추가의 예로서, 일 실시예에서, 제1 및 제2 2차 성장 제약 높이들 H158 및 H160은, 각각, 높이 HES의 25% 미만일 수 있다. 추가의 예로서, 일 실시예에서, 제1 및 제2 2차 성장 제약 높이들 H158 및 H160은, 각각, 높이 HES의 10% 미만일 수 있다. 추가의 예로서, 일 실시예에서, 제1 및 제2 2차 성장 제약 높이들 H158 및 H160은 높이 HES의 약 5% 미만일 수 있다. 일부 실시예들에서, 제1 2차 성장 제약 높이 H158 및 제2 2차 성장 제약 높이 H160는 상이할 수 있고, 제1 및 제2 2차 성장 제약들(158,160) 각각에 대해 사용되는 재료들은 또한 상이할 수 있다.
특정 실시예들에서, 내부 표면들(1060 및 1062)은 애노드 구조체들(110)의 집단 및/또는 캐소드 구조체들(112)의 집단을 이에 부착시키는데 알맞는 표면 특징들을 포함할 수 있고, 외부 표면들(1064 및 1066)은 복수의 제약된 전극 어셈블리들(106)을 적층하는데 알맞는 표면 특징들을 포함할 수 있다(즉, 도 7 내에서 추론되지만, 명확성을 위해 도시되지 않음). 예를 들어, 일 실시예에서, 내부 표면들(1060 및 1062) 또는 외부 표면들(1064 및 1066)은 평면일 수 있다. 추가의 예로서, 일 실시예에서, 내부 표면들(1060 및 1062) 또는 외부 표면들(1064 및 1066)은 비-평면일 수 있다. 추가의 예로서, 일 실시예에서, 내부 표면들(1060 및 1062) 및 외부 표면들(1064 및 1066)은 평면일 수 있다. 추가의 예로서, 일 실시예에서, 내부 표면들(1060 및 1062) 및 외부 표면들(1064 및 1066)은 비-평면일 수 있다. 추가의 예로서, 일 실시예에서, 내부 표면들(1060 및 1062) 및 외부 표면들(1064 및 1066)은 실질적으로 평면일 수 있다.
본 명세서의 다른 곳에서 설명되는 바와 같이, 애노드 구조체들(110) 및/또는 캐소드 구조체들(112)로서 구현되는 적어도 하나의 2차 접속 멤버(166)를 내부 표면들(1060 및 1062)에 부착시키기 위한 모드들은 에너지 저장 디바이스(100) 또는 2차 배터리(102) 및 그들의 의도되는 용도(들)에 의존하여 달라질 수 있다. 도 7에 도시되는 하나의 예시적인 실시예에서, 애노드 구조체들(110)(즉, 도시되는 바와 같이, 애노드 전류 콜렉터(136))의 집단의 상부(1052) 및 하부(1054) 그리고 캐소드 구조체들(112)(즉, 도시되는 바와 같이, 캐소드 전류 콜렉터(140))의 집단의 상부(1068) 및 하부(1070)는 글루의 층(182)을 통해 제1 2차 성장 제약(158)의 내부 표면(1060) 및 제2 2차 성장 제약(160)의 내부 표면(1062)에 부착될 수 있다. 대안적으로, 특정 실시예들에서 애노드 전류 콜렉터들(136)만 또는 캐소드 전류 콜렉터들(140)만이 적어도 하나의 2차 접속 멤버(166)로서 역할을 하도록 부착될 수 있거나, 또는 애노드 및/또는 캐소드 구조체들의 다른 서브-구조체가 적어도 하나의 2차 접속 멤버(166)로서 역할을 할 수 있다. 유사하게, 제1 1차 성장 제약(154)의 상부(1076) 및 하부(1078), 및 제2 1차 성장 제약(156)의 상부(1080) 및 하부(1082)는 글루의 층(182)을 통해 제1 2차 성장 제약(158)의 내부 표면(1060) 및 제2 2차 성장 제약(160)의 내부 표면(1062)에 부착될 수 있다.
대안적으로 언급하자면, 도 7에 도시되는 실시예에서, 애노드 구조체들(110)의 집단의 상부(1052) 및 하부(1054)는 제1 2차 성장 제약(158)의 내부 표면(1060) 및 제2 2차 성장 제약(160)의 내부 표면(1062) 양자 모두를 효과적으로 충족시키는 높이 HES를 포함하고, 플러시 실시예에서 글루의 층(182)을 통해 제1 2차 성장 제약(158)의 내부 표면(1060) 및 제2 2차 성장 제약(160)의 내부 표면(1062)에 부착될 수 있다. 또한, 캐소드 구조체들(112)의 집단의 상부(1068) 및 하부(1070)는 제1 2차 성장 제약(158)의 내부 표면(1060) 및 제2 2차 성장 제약(160)의 내부 표면(1062) 양자 모두를 효과적으로 충족시키는 높이 HCES를를 포함하고, 플러시 실시예에서 글루의 층(182)을 통해 제1 2차 성장 제약(158)의 내부 표면(1060) 및 제2 2차 성장 제약(160)의 내부 표면(1062)에 부착될 수 있다.
추가로, 다른 예시적인 실시예에서, 애노드 백본들(134)의 상부(1056) 및 하부(1058), 및 캐소드 백본들(141)의 상부(1072) 및 하부(1074)는 글루의 층(182)을 통해 제1 2차 성장 제약(158)의 내부 표면(1060) 및 제2 2차 성장 제약(160)의 내부 표면(1062)에 부착될 수 있다(도시되지 않음). 유사하게, 제1 1차 성장 제약(154)의 상부(1076) 및 하부(1078), 및 제2 1차 성장 제약(156)의 상부(1080) 및 하부(1082)는 글루의 층(182)을 통해 제1 2차 성장 제약(158)의 내부 표면(1060) 및 제2 2차 성장 제약(160)의 내부 표면(1062)에 부착될 수 있다(이러한 단락에 설명되는 실시예에 관련하여 도시되지 않음). 대안적으로 언급하자면, 애노드 백본들(134)의 상부(1056) 및 하부(1058)는 제1 2차 성장 제약(158)의 내부 표면(1060) 및 제2 2차 성장 제약(160)의 내부 표면(1062) 양자 모두를 효과적으로 충족시키는 높이 HESB를 포함하고, 플러시 실시예에서 글루의 층(182)을 통해 제1 2차 성장 제약(158)의 내부 표면(1060) 및 제2 2차 성장 제약(160)의 내부 표면(1062)에 부착될 수 있다. 또한, 캐소드 백본들(141)의 상부(1072) 및 하부(1074)는 제1 2차 성장 제약(158)의 내부 표면(1060) 및 제2 2차 성장 제약(160)의 내부 표면(1062) 양자 모두를 효과적으로 충족시키는 높이 HCESB를 포함하고, 플러시 실시예에서 글루의 층(182)을 통해 제1 2차 성장 제약(158)의 내부 표면(1060) 및 제2 2차 성장 제약(160)의 내부 표면(1062)에 부착될 수 있다.
따라서, 일 실시예에서, 분리기(130), 및/또는 애노드(110) 및/또는 캐소드 구조체들(112)의 집단의 적어도 일부분은 제1 및 제2 2차 성장 제약들(각각, 158, 160)을 2차 성장 제약 시스템(152)에서 서로 접속하는 하나 이상의 2차 접속 멤버(166)로서 역할을 할 수 있고, 그렇게 함으로써 이들의 사이클링 동안 전극 어셈블리(106)의 성장을 저지하는 콤팩트하고 공간 효율적인 제약 시스템을 제공한다. 일 실시예에 따르면, 애노드(110) 및/또는 캐소드 구조체들(112), 및/또는 분리기(130)의 임의의 부분은, 충전 및 방전 사이클들로 체적에서 팽윤하는 애노드(110) 및/또는 캐소드 구조체(112)의 임의의 부분을 제외하고는, 하나 이상의 2차 접속 멤버들(166)로서 역할을 할 수 있다. 즉, 전극 어셈블리(106)에서의 체적 변경의 원인인, 애노드 활성 재료(132)와 같은, 애노드 구조체(110) 및/또는 캐소드 구조체(112)의 해당 부분은 통상적으로 전극 제약들의 세트(108)의 부분으로서 역할을 하지 않을 것이다. 일 실시예에서, 1차 성장 제약 시스템(151)의 부분으로서 제공되는 제1 및 제2 1차 성장 제약들(각각, 154, 156)은 세로 방향으로의 성장을 추가로 억제하고, 2차 성장 제약 시스템(152)의 제1 및 제2 2차 성장 제약들(각각, 158, 160)을 접속하는 2차 접속 멤버(166)로서 또한 역할을 할 수 있고, 그렇게 함으로써 애노드 성장/팽윤의 저지를 위한 협력적, 상승적 제약 시스템(즉, 전극 제약들의 세트(108))을 제공할 수 있다.
2차 배터리
이제 도 9를 참조하면, 2차 배터리(102)의 일 실시예의 분해도가 도시된다. 2차 배터리(102)는 배터리 인클로저(104) 및 배터리 인클로저(104) 내의 전극 어셈블리들의 세트(106a)를 포함하며, 전극 어셈블리들(106) 각각은, 위에 설명된 바와 같이, 제1 세로 단부 표면(116), 대향하는 제2 세로 단부 표면(118)(즉, 도시되는 데카르트 좌표계의 Y 축을 따라 제1 세로 단부 표면(116)으로부터 분리됨)을 갖는다. 각각의 전극 어셈블리(106)는 적층 방향 D로 전극 어셈블리들(106) 각각 내에서 서로에 대해 적층되는 애노드 구조체들(110)의 집단 및 캐소드 구조체들(112)의 집단을 포함하고; 상이하게 언급하자면, 애노드(110) 및 캐소드(112) 구조체들의 집단들은 교대하는 일련의 애노드들(110) 및 캐소드들(112)에 배열되고, 이러한 일련의 것들은, 위에 설명된 바와 같이, 제1 및 제2 세로 단부 표면들(각각, 116,118) 사이에 적층 방향 D로 진행한다(예를 들어, 도 2 참조: 도 2 및 도 9에 도시되는 바와 같이, 적층 방향 D는 도시되는 데카르트 좌표계(들)의 Y 축에 평행함). 추가적으로, 개별 전극 어셈블리(106) 내의 적층 방향 D는 세트(106a) 내의 전극 어셈블리들(106)의 집합의 적층의 방향(즉, 전극 어셈블리 적층 방향)에 수직이며; 상이하게 언급하자면, 전극 어셈블리들(106)은 개별 전극 어셈블리(106) 내의 적층 방향 D에 수직인 세트(106a) 내의 방향으로 서로에 대해 배치된다(예를 들어, 전극 어셈블리 적층 방향은 도시되는 데카르트 좌표계의 Z 축에 대응하는 방향으로 있는 반면, 개별 전극 어셈블리들(106) 내의 적층 방향 D는 도시되는 데카르트 좌표계의 Y 축에 대응하는 방향으로 있음).
도 9에 도시되는 실시예에 묘사되는 전극 어셈블리들의 세트(106a)는 동일한 일반 크기를 갖는 개별 전극 어셈블리들(106)을 포함하지만, 이러한 개별 전극 어셈블리들(106) 중 하나 이상은 또한 및/또는 대안적으로 세트(106a)에서의 다른 전극 어셈블리들(106)과, 이들의 적어도 하나의 치수에서 상이한 크기들을 가질 수 있다. 예를 들어, 일 실시예에 따르면, 2차 배터리(102)에 제공되는 세트(106a)를 형성하도록 함께 적층되는 전극 어셈블리들(106)은 각각의 어셈블리(106)의 세로 방향(즉, 적층 방향 D)으로 상이한 최대 폭들 WEA를 가질 수 있다. 다른 실시예에 따르면, 2차 배터리(102)에 제공되는 적층되는 세트(106a)를 이루는 전극 어셈블리들(106)은 세로 축에 직교하는 가로 축을 따라 상이한 최대 길이들 LEA를 가질 수 있다. 추가의 예로서, 일 실시예에서, 2차 배터리(102)에서 전극 어셈블리들(106a)의 세트를 형성하도록 함께 적층되는 각각의 전극 어셈블리(106)는, 전극 어셈블리들(106)이 전극 어셈블리들(106a)의 세트를 형성하도록 함께 적층되는 방향을 따라 감소하는 LEA x WEA의 면적을 제공하도록 선택되는 가로 축을 따르는 최대 길이 LEA 및 세로 축을 따르는 최대 폭 WEA를 갖는다. 예를 들어, 각각의 전극 어셈블리(106)의 최대 폭 WEA 및 최대 길이 LEA는, 피라미드 형상으로 전극 어셈블리들(106a)의 세트를 갖는 2차 배터리(102)를 형성하도록 전극 어셈블리들(106)이 함께 적층되도록, 어셈블리들(106)이 적층되는 제1 방향으로 이에 인접하는 전극 어셈블리(106) 것 미만이도록, 그리고 이에 반대인 제2 방향으로 이에 인접하는 전극 어셈블리(106)의 것 초과이도록 선택될 수 있다. 대안적으로, 적층된 전극 어셈블리 세트(106a)에 대한 상이한 형상들 및/또는 구성들을 제공하도록 각각의 전극 어셈블리(106)에 대한 최대 길이들 LEA 및 최대 폭들 WEA가 선택될 수 있다. 세트(106a)에서의 다른 어셈블리들(106)과 상이하도록 및/또는 미리 결정된 형상 및/또는 구성을 갖는 적층된 세트(106a)를 제공하도록 전극 어셈블리들(106) 중 하나 이상에 대한 최대 수직 높이 HEA가 또한 및/또는 대안적으로 선택될 수 있다.
탭들(190, 192)은 배터리 인클로저(104) 밖으로 돌출하고, 세트(106a)의 전극 어셈블리들(106)과 에너지 공급원 또는 소비자(도시되지 않음) 사이의 전기 접속을 제공한다. 보다 구체적으로, 이러한 실시예에서 탭(190)은 (예를 들어, 전기적 도전성 글루(electrically conductive glue)를 사용하여) 탭 연장(191)에 전기적으로 접속되고, 탭 연장(191)은 전극 어셈블리들(106) 각각에 의해 포함되는 전극들(110)에 전기적으로 접속된다. 유사하게, 탭(192)은 (예를 들어, 전기적 도전성 글루를 사용하여) 탭 연장(193)에 전기적으로 접속되고, 탭 연장(193)은 전극 어셈블리들(106) 각각에 의해 포함되는 상대 전극들(112)에 전기적으로 접속된다.
도 9에 도시되는 실시예에서의 각각의 전극 어셈블리(106)는 세로 방향(즉, 적층 방향 D)으로의 성장을 저지하도록 연관된 1차 성장 제약 시스템(151)을 가질 수 있다. 대안적으로, 일 실시예에서, 세트(106a)를 이루고 있는 복수의 전극 어셈블리들(106)은 1차 성장 제약 시스템(151)의 적어도 일부분을 공유할 수 있다. 도시되는 바와 같은 실시예에서, 각각의 1차 성장 제약 시스템(151)은, 위에 설명된 바와 같이, 제1 및 제2 세로 단부 표면들(각각, 116, 118) 위에 놓일 수 있는 제1 및 제2 1차 성장 제약들(각각, 154, 156); 및, 위에 설명된 바와 같이, 측방향 표면들(142) 위에 놓일 수 있는 제1 및 제2 대향하는 1차 접속 멤버들(각각, 162, 164)을 포함한다. 제1 및 제2 대향하는 1차 접속 멤버들(각각, 162, 164)은 제1 및 제2 1차 성장 제약들(각각, 154, 156)을 서로를 향해 당기거나, 또는 대안적으로 언급하자면, 세로 방향으로의 전극 어셈블리(106)의 성장을 저지하는 것을 보조할 수 있고, 1차 성장 제약들(154, 156)은 대향하는 제1 및 제2 세로 단부 표면들(각각, 116, 118)에 압축력 또는 저지력(compressive or restraint force)을 인가할 수 있다. 그 결과, 충전 상태와 방전 상태 사이의 배터리(102)의 사이클링 및/또는 이의 형성 동안 세로 방향으로의 전극 어셈블리(106)의 팽창이 억제된다. 추가적으로, 1차 성장 제약 시스템(151)은 서로 상호 수직이고 세로 방향에 수직인 2개의 방향들 중 어느 한 방향으로 전극 어셈블리(106) 상에 유지되는 압력을 초과하는 세로 방향(즉, 적층 방향 D)으로의 전극 어셈블리(106) 상의 압력을 행사한다(예를 들어, 도시되는 바와 같이, 세로 방향은 Y 축의 방향에 대응하고, 서로 상호 수직이고 세로 방향에 수직인 2개의 방향들은 도시되는 데카르트 좌표계의 X 축 및 Z 축의 방향들에, 각각, 대응함).
추가로, 도 9에 도시되는 실시예에서의 각각의 전극 어셈블리(106)는 수직 방향으로의 성장(즉, 수직 방향으로의(즉, 데카르트 좌표계의 Z 축을 따른) 전극 어셈블리(106), 애노드들(110), 및/또는 캐소드들(112)의 팽창)을 저지하도록 연관된 2차 성장 제약 시스템(152)을 갖는다. 대안적으로, 일 실시예에서, 세트(106a)를 이루고 있는 복수의 전극 어셈블리들(106)은 2차 성장 제약 시스템(152)의 적어도 일부분을 공유한다. 각각 위에 보다 상세히 설명된 바와 같이, 각각의 2차 성장 제약 시스템(152)은 대응하는 측방향 표면들(142) 위에, 각각, 놓일 수 있는 제1 및 제2 2차 성장 제약들(각각, 158, 160), 및 적어도 하나의 2차 접속 멤버(166)를 포함한다. 각각 위에 보다 상세히 설명된 바와 같이, 2차 접속 멤버들(166)은 제1 및 제2 2차 성장 제약들(각각, 158, 160)을 서로를 향해 당기거나, 또는 대안적으로 언급하자면, 수직 방향으로의 전극 어셈블리(106)의 성장을 저지하는 것을 보조할 수 있고, 제1 및 제2 2차 성장 제약들(각각, 158, 160)은 측방향 표면들(142)에 압축력 또는 저지력을 인가할 수 있다. 그 결과, 충전 상태와 방전 상태 사이의 배터리(102)의 사이클링 및/또는 형성 동안 수직 방향으로의 전극 어셈블리(106)의 팽창이 억제된다. 추가적으로, 2차 성장 제약 시스템(152)은 서로 상호 수직이고 수직 방향에 수직인 2개의 방향들 중 어느 한 방향으로 전극 어셈블리(106) 상에 유지되는 압력을 초과하는 수직 방향(즉, 데카르트 좌표계의 Z 축에 평행함)으로의 전극 어셈블리(106) 상의 압력을 행사한다(예를 들어, 도시되는 바와 같이, 수직 방향은 Z 축의 방향에 대응하고, 서로 상호 수직이고 수직 방향에 수직인 2개의 방향들은 도시되는 데카르트 좌표계의 X 축 및 Y 축의 방향들에, 각각, 대응함).
추가로 여전히, 도 9에 도시되는 실시예에서의 각각의 전극 어셈블리(106)는, 위에 보다 상세히 설명된 바와 같이, 세로 방향 및 수직 방향으로의 성장을 저지하도록 연관된 1차 성장 제약 시스템(151)- 및 연관된 2차 성장 제약 시스템(152) -을 가질 수 있다. 또한, 특정 실시예들에 따르면, 애노드 및/또는 캐소드 탭들(각각, 190, 192) 및 탭 연장들(191, 193)은 3차 성장 제약 시스템(155)의 부분으로서 역할을 할 수 있다. 예를 들어, 특정 실시예들에서, 탭 연장들(191, 193)은, 제1 및 제2 3차 성장 제약들(157, 159)과 같은, 3차 제약 시스템(155)의 부분으로서 작용하도록 대향하는 가로 표면 영역들(144, 146)을 따라서 연장될 수 있다. 1차 성장 제약들(154, 156)이, 전극 어셈블리(106)를 가로 방향을 따라 압축하기 위해 탭 연장들(191, 193)을 서로 장력을 받게 배치하는 적어도 하나의 3차 접속 멤버(165)로서 역할을 하고, 제1 및 제2 3차 성장 제약들(각각, 157, 159)로서 작용하도록, 탭 연장들(191, 193)은 전극 어셈블리(106)의 세로 단부들(117, 119)에서 1차 성장 제약들(154, 156)에 접속될 수 있다. 반대로, 탭들(190, 192) 및/또는 탭 연장들(191, 193)은, 일 실시예에 따르면, 제1 및 제2 1차 성장 제약들(각각, 154, 156)에 대한 제1 및 제2 1차 접속 멤버들(각각, 162, 164)로서 또한 역할을 할 수 있다. 또 다른 실시예에서, 2차 성장 제약들(158, 160)을 접속시키는 적어도 하나의 2차 접속 멤버(166)의 일부를 형성하는 것에 의해서와 같이, 탭들(190, 192) 및/또는 탭 연장들(191, 193)이 2차 성장 제약 시스템(152)의 부분으로서 역할을 할 수 있다. 따라서, 탭들(190, 192) 및/또는 탭 연장들(191, 193)은 1차 및 2차 제약 시스템들(각각, 151, 152) 중 하나 이상의 부분으로서 역할을 하는 것, 및/또는 1차 및 2차 성장 제약 시스템들(각각, 151, 152) 중 하나 이상에 의해 제약되는 방향에 직교하는 방향으로 전극 어셈블리(106)를 제약하는 3차 성장 제약 시스템(155)의 부분을 형성하는 것 중 어느 하나에 의해 전극 어셈블리(106)의 전체적인 거시적 성장을 저지하는 것을 보조할 수 있다.
2차 배터리(102)의 조립을 완료하기 위해, 배터리 인클로저(104)는 비-수성 전해질(도시되지 않음)로 채워지고(filled) 리드(lid)(104a)는 (FL(fold line)을 따라) 상부 표면(104b) 위로 폴딩되어 이에 실링(seal)된다. 완전히 조립될 때, 실링된 2차 배터리(102)는 자신의 외측 표면들에 의해 경계가 정해지는 체적(즉, 변위 체적)을 점유하고, 2차 배터리 인클로저(104)는 자신의 내부 체적(즉, 내부 표면들(104c, 104d, 104e, 104f, 104g) 및 리드(104a)에 의해 경계가 정해지는 프리즘 체적) 미만인 (리드(104a)를 포함하는) 배터리의 변위 체적에 대응하는 체적을 점유하며, 세트(106a)의 각각의 성장 제약(151, 152)은 자신의 각각의 변위 체적에 대응하는 체적을 점유한다. 조합하여, 따라서, 배터리 인클로저(104) 및 성장 제약들(151, 152)은 배터리 인클로저(104)의 외부 표면에 의해 경계가 정해지는 체적(즉, 배터리의 변위 체적)의 75% 이하를 점유한다. 예를 들어, 하나의 이러한 실시예에서, 성장 제약들(151, 152) 및 배터리 인클로저(104)는, 조합하여, 배터리 인클로저(104)의 외부 표면에 의해 경계가 정해지는 체적의 60% 이하를 점유한다. 추가의 예로서, 하나의 이러한 실시예에서, 제약들(151, 152) 및 배터리 인클로저(104)는, 조합하여, 배터리 인클로저(104)의 외부 표면에 의해 경계가 정해지는 체적의 45% 이하를 점유한다. 추가의 예로서, 하나의 이러한 실시예에서, 제약들(151, 152) 및 배터리 인클로저(104)는, 조합하여, 배터리 인클로저(104)의 외부 표면에 의해 경계가 정해지는 체적의 30% 이하를 점유한다. 추가의 예로서, 하나의 이러한 실시예에서, 제약들(151, 152) 및 배터리 인클로저(104)는, 조합하여, 배터리 인클로저의 외부 표면에 의해 경계가 정해지는 체적의 20% 이하를 점유한다.
도 9에서의 도시의 용이함 위해, 2차 배터리(102)는 전극 어셈블리들(106)의 하나의 세트(106a)만을 포함하고, 이러한 세트(106a)는 6개의 전극 어셈블리들(106)만을 포함한다. 실제로, 2차 배터리(102)는 하나 초과의 전극 어셈블리들의 세트(106a)를 포함할 수 있으며, 이러한 세트들(106a) 각각은 서로에 대해 측방향으로(예를 들어, 도 9의 데카르트 좌표계의 X-Y 평면 내에 놓이는 상대 방향(relative direction)으로) 또는 서로에 대해 수직으로(예를 들어, 도 9의 데카르트 좌표계의 Z 축에 실질적으로 평행한 방향으로) 배치된다. 추가적으로, 이러한 실시예들 각각에서, 전극 어셈블리들의 세트들(106a) 각각은 하나 이상의 전극 어셈블리(106)를 포함할 수 있다. 예를 들어, 특정 실시예들에서, 2차 배터리(102)는 1개, 2개, 또는 그 이상의 전극 어셈블리들의 세트(106a)를 포함할 수 있고, 각각의 이러한 세트(106a)는 하나 이상의 전극 어셈블리(106)(예를 들어, 각각의 이러한 세트(106a) 내의 1개, 2개, 3개, 4개, 5개, 6개, 10개, 15개, 또는 그 이상의 전극 어셈블리(106))를 포함하며, 배터리(102)가 2개 이상의 이러한 세트들(106a)을 포함할 때, 이러한 세트들(106a)은 2차 배터리(102)에 포함되는 다른 전극 어셈블리들의 세트들(106a)에 대해 측방향으로 또는 수직으로 배치될 수 있다. 이러한 다양한 실시예들 각각에서, 각각의 개별 전극 어셈블리(106)는, 위에 설명된 바와 같이, 자기 자신의 성장 제약(들)을 가질 수 있고(즉, 전극 어셈블리들(106)과 제약들(151, 152) 사이의 1:1 관계), 2개 이상의 전극 어셈블리들(106)은, 위에 설명된 바와 같이, 공통 성장 제약(들)(151, 152)(즉, 2개 이상의 전극 어셈블리들(106)에 대한 제약들의 세트(108))를 가질 수 있거나, 또는 2개 이상의 전극 어셈블리들(106)은 성장 제약(들)(151, 152)의 컴포넌트들을 공유할 수 있다(즉, 위에 설명된 바와 같이, 2개 이상의 전극 어셈블리들(106)은, 예를 들어, 융합 실시예에서와 같이, 공통 압축 멤버(예를 들어, 제2 2차 성장 제약(158)) 및/또는 장력 멤버들(166)을 가질 수 있음).
다른 배터리 컴포넌트들
특정 실시예들에서, 위에 설명된 바와 같이, 1차 성장 제약 시스템(151) 및 2차 성장 제약 시스템(152)을 포함하는 전극 제약들의 세트(108)는, 예를 들어 도 9에 도시되는 바와 같이, 길이 L1, 폭 W1, 및 두께 t1를 갖는 시트(2000)로부터 도출될 수 있다. 보다 구체적으로, 1차 성장 제약 시스템(151)을 형성하기 위해, 시트(2000)는 전극 어셈블리(106)를 에워싸기 위해 전극 어셈블리(106) 주위에 래핑되고 에지들(2001)에서 폴딩될 수 있다. 대안적으로, 일 실시예에서, 시트(2000)는 전극 어셈블리 세트(106a)를 형성하도록 적층되는 복수의 전극 어셈블리들(106) 주위에 래핑될 수 있다. 이러한 시트의 에지들은 서로 중첩할 수 있고, 제1 1차 성장 제약(154) 및 제2 1차 성장 제약(156)을 포함하는 1차 성장 제약 시스템(151), 및 제1 1차 접속 멤버(162) 및 제2 1차 접속 멤버(164)를 형성하도록 서로에 용접, 점착, 또는 달리 고정된다. 이러한 실시예에서, 1차 성장 제약 시스템(151)은 시트(2000)의 변위 체적에 대응하는 체적을 갖는다(즉, L1, W1 의 t1의 곱셈 곱). 일 실시예에서, 적어도 하나의 1차 접속 멤버는 멤버를 장력을 받도록 배치하기 위해 적층 방향 D으로 신장되고, 이는 압축력으로 하여금 제1 및 제2 1차 성장 제약들에 의해 행사되게 한다. 대안적으로, 적어도 하나의 2차 접속 멤버는 멤버를 장력을 받도록 배치하기 위해 제2 방향으로 신장될 수 있고, 이는 압축력으로 하여금 제1 및 제2 2차 성장 제약들에 의해 행사되게 한다. 대안적인 실시예에서, 접속 멤버들을 장력을 받도록 배치하기 위해 그들을 신장시키는 대신에, 1차 및 2차 성장 제약 시스템들 중 하나 이상의 접속 멤버들 및/또는 성장 제약들 또는 다른 부분이 전극 어셈블리 위에 및/또는 그 내에 설치되기 이전에 프리텐셔닝될 수 있다. 다른 대안적인 실시예에서, 1차 및 2차 성장 제약 시스템들 중 하나 이상의 접속 멤버들 및/또는 성장 제약들 및/또는 다른 부분들이 전극 어셈블리 내에 및/또는 그 위에 설치될 때 초기에는 장력을 받지 않지만, 오히려, 배터리의 형성이 전극 어셈블리로 하여금 팽창되게 그리고 접속 멤버들 및/또는 성장 제약들과 같은 1차 및/또는 2차 성장 제약 시스템들의 부분들에 장력을 유도하게 한다. (즉, 자체-텐셔닝(self-tensioning)).
시트(2000)는 전극 어셈블리(106)에 원하는 힘을 인가할 수 있는 광범위한 호환 가능 재료들 중 임의의 것을 포함할 수 있다. 일반적으로, 1차 성장 제약 시스템(151)은, 적어도 10,000 psi(>70MPa)의 궁극적 인장 강도를 갖고, 배터리 전해질과 호환 가능하고, 배터리(102)에 대한 유동 또는 애노드 전위에서 상당히 부식되지는 않으며, 45°C, 그리고 심지어 70°C까지에서 상당히 반응하지는 않거나 또는 기계적 강도를 상실하지는 않는, 재료를 통상적으로 포함할 것이다. 예를 들어, 1차 성장 제약 시스템(151)은 광범위한 금속들, 합금들, 세라믹들, 유리, 플라스틱들, 또는 이들의 조합(즉, 복합물) 중 임의의 것을 포함할 수 있다. 하나의 예시적인 실시예에서, 1차 성장 제약 시스템(151)은 스테인레스 스틸(예를 들어, SS 316, 440C 또는 440C hard), 알루미늄(예를 들어, aluminum 7075-T6, hard H18), 티타늄(예를 들어, 6Al-4V), 베릴륨, 베릴륨 구리(hard), 구리(O2 free, hard), 니켈과 같은 금속을 포함하지만; 그러나, 일반적으로, 1차 성장 제약 시스템(151)이 금속을 포함할 때 애노드들(110)과 캐소드들(112) 사이의 부식을 제한하고 이들 사이의 전기 단락을 생성하는 것을 제한하는 방식으로 포함되는 것이 일반적으로 바람직하다. 다른 예시적인 실시예에서, 1차 성장 제약 시스템(151)은 알루미나(예를 들어, sintered 또는 Coorstek AD96), 지르코니아(예를 들어, Coorstek YZTP), 이트리아-안정화 지르코니아(yttria-stabilized zirconia)(예를 들어, ENrG E-Strate®)와 같은 세라믹을 포함한다. 다른 예시적인 실시예에서, 1차 성장 제약 시스템(151)은 Schott D263 강화 유리(tempered glass)와 같은 유리를 포함한다. 다른 예시적인 실시예에서, 1차 성장 제약 시스템(151)은 PEEK(polyetheretherketone)(예를 들어, Aptiv 1102), 탄소가 있는 PEEK(예를 들어, Victrex 90HMF40 또는 Xycomp 1000-04), 탄소가 있는 PPS(polyphenylene sulfide)(예를 들어, Tepex Dynalite 207), 30% 유리가 있는 PEEK(polyetheretherketone)(예를 들어, Victrex 90HMF40 또는 Xycomp 1000-04), 폴리이미드(예를 들어, Kapton®)와 같은 플라스틱을 포함한다. 다른 예시적인 실시예에서, 1차 성장 제약 시스템(151)은 E Glass Std Fabric/Epoxy, 0 deg, E Glass UD/Epoxy, 0 deg, Kevlar Std Fabric/Epoxy, 0 deg, Kevlar UD/Epoxy, 0 deg, Carbon Std Fabric/Epoxy, 0 deg, Carbon UD/Epoxy, 0 deg, Toyobo Zylon® HM Fiber/Epoxy와 같은 복합물을 포함한다. 다른 예시적인 실시예에서, 1차 성장 제약 시스템(151)은 Kevlar 49 Aramid Fiber, S Glass Fibers, Carbon Fibers, Vectran UM LCP Fibers, Dyneema, Zylon과 같은 섬유들을 포함한다.
1차 성장 제약 시스템(151)의 두께(t1)는, 예를 들어, 1차 성장 제약 시스템(151)의 구성의 재료(들), 전극 어셈블리(106)의 전체적인 치수들, 및 배터리 애노드 및 캐소드의 조성을 포함하는 인자들의 범위에 의존할 것이다. 일부 실시예들에서, 예를 들어, 1차 성장 제약 시스템(151)은 약 10 내지 약 100 마이크로미터의 범위에 있는 두께를 갖는 시트를 포함할 것이다. 예를 들어, 하나의 이러한 실시예에서, 1차 성장 제약 시스템(151)은 약 30 μm의 두께를 갖는 스테인리스 스틸 시트(예를 들어, SS316)를 포함한다. 추가의 예로서, 다른 이러한 실시예에서, 1차 성장 제약 시스템(151)은 약 40 μm의 두께를 갖는 알루미늄 시트(예를 들어, 7075-T6)를 포함한다. 추가의 예로서, 다른 이러한 실시예에서, 1차 성장 제약 시스템(151)은 약 30 μm의 두께를 갖는 지르코니아 시트(예를 들어, Coorstek YZTP)를 포함한다. 추가의 예로서, 다른 이러한 실시예에서, 1차 성장 제약 시스템(151)은 약 75 μm의 두께를 갖는 E Glass UD/Epoxy 0 deg 시트를 포함한다. 추가의 예로서, 다른 이러한 실시예에서, 1차 성장 제약 시스템(151)은 >50% 패킹 밀도로 12 μm 탄소 섬유들을 포함한다.
임의의 특정 이론에 구속되지 않고, 점착을 위한 방법들은, 본 명세서에 설명되는 바와 같이, 점착, 솔더링, 본딩, 소결(sintering), 압착(press contacting), 브레이징(brazing), 열 스프레잉 접합(thermal spraying joining), 클램핑(clamping), 또는 이들의 조합들을 포함할 수 있다. 점착은 도전성 에폭시들, 도전 엘라스토머들과 같은 도전성 재료들, 니켈이 채워진 에폭시(nickel filled epoxy), 탄소가 채워진 에폭시(carbon filled epoxy) 등과 같은, 도전성 금속들로 채워지는 절연 유기 글루의 혼합물들로 재료들을 접합시키는 것을 포함할 수 있다. 도전성 페이스트들이 재료들을 함께 접합시키는데 사용될 수 있고, 접합 강도는 온도(소결), 광(UV 경화, 가교 결합), 화학적 경화(촉매 기반 가교 결합)에 의해 조정될(tailored) 수 있다. 본딩 프로세스들은 와이어 본딩, 리본 본딩, 초음파 본딩을 포함할 수 있다. 용접 프로세스들은 초음파 용접, 저항 용접, 레이저 빔 용접, 전자 빔 용접, 유도 용접, 및 냉간 용접을 포함할 수 있다. 이러한 재료들의 접합은 재료들을 함께 접합시키기 위해 플라즈마 스프레잉, 플레임 스프레잉(flame spraying), 아크 스프레잉과 같은 열 스프레이 코팅과 같은 코팅 프로세스를 사용하여 또한 수행될 수 있다. 예를 들어, 니켈 또는 구리 메시는 니켈의 열 스프레이를 글루로서 사용하여 니켈 버스 상에 접합될 수 있다.
애노드(110) 및 캐소드 구조체(112)의 집단들의 멤버들은 리튬, 나트륨, 칼륨, 칼슘, 마그네슘 또는 알루미늄 이온들과 같은 캐리어 이온을 흡수 및 방출할 수 있는 전기활성 재료를 포함할 수 있다. 일부 실시예들에서, 애노드 구조체(110)의 집단의 멤버들은 애노드형 활성 전기활성 재료(anodically active electroactive material)(때때로 음극이라고 지칭됨)를 포함하고, 캐소드 구조체(112)의 집단의 멤버들은 캐소드형 활성 전기활성 재료(cathodically active electroactive material)(때때로 양극이라고 지칭됨)를 포함한다. 본 단락에서 나열되는 실시예들 및 예들 각각에서, 음극 활성 재료는 미립자 응집체 전극(particulate agglomerate electrode) 또는 모놀리식 전극(monolithic electrode)일 수 있다.
예시적인 애노드형 활성 전기활성 재료들은 그래파이트 및 연질 또는 경질 탄소들과 같은 탄소 재료들, 또는 리튬과 합금을 형성할 수 있는 금속들, 반금속들(semi-metals), 합금들, 산화물들 및 화합물들의 범위 중 임의의 것을 포함한다. 애노드 재료를 구성할 수 있는 금속들 또는 반-금속들의 구체적인 예들은, 주석, 납, 마그네슘, 알루미늄, 붕소, 갈륨, 실리콘, 인듐, 지르코늄, 게르마늄, 비스무트, 카드뮴, 안티몬, 은, 아연, 비소, 하프늄, 이트륨, 및 팔라듐을 포함한다. 하나의 예시적인 실시예에서, 애노드형 활성 재료는 알루미늄, 주석, 또는 실리콘, 또는 이들의 산화물, 또는 이들의 질화물, 이들의 플루오르화물, 또는 이들의 다른 합금을 포함한다. 다른 예시적인 실시예에서, 애노드형 활성 재료는 실리콘 또는 이들의 합금을 포함한다.
예시적인 캐소드 활성 재료들은 광범위한 캐소드 활성 재료들 중 임의의 것을 포함한다. 예를 들어, 리튬-이온 배터리에 대해, 캐소드 활성 재료는, 선택적으로 사용될 수 있는, 전이 금속 산화물들, 전이 금속 황화물들, 전이 금속 질화물들, 리튬-전이 금속 산화물들, 리튬-전이 금속 황화물들, 및 리튬-전이 금속 질화물들로부터 선택되는 캐소드 재료를 포함할 수 있다. 이러한 전이 금속 산화물들, 전이 금속 황화물들, 및 전이 금속 질화물들의 전이 금속 원소들은 d-껍질 또는 f-껍질을 갖는 금속 원소들을 포함할 수 있다. 이러한 금속 원소의 구체적인 예들은 Sc, Y, 란타노이드들(lanthanoids), 악티노이드들(actinoids), Ti, Zr, Hf, V, Nb, Ta, Cr, Mo, W, Mn, Tc, Re, Fe, Ru, Os, Co, Rh, Ir, Ni, Pb, Pt, Cu, Ag, 및 Au이다. 추가적인 캐소드 활성 재료들은 LiCoO2, LiNi0.5Mn1.5O4, Li(NixCoyAl2)O2, LiFePO4, Li2MnO4, V2O5, 몰리브덴 옥시설파이드들, 포스페이트들, 실리케이트들, 바나데이트들 및 이들의 조합들을 포함한다.
일 실시예에서, 충전 및 방전 프로세스들 동안 리튬 이온들(또는 다른 캐리어 이온들)이 음극 활성 재료 내로 포함되거나 또는 이로부터 이탈함에 따라 체적 팽창 및 수축을 수용하기 위해 애노드 활성 재료는 중요한 공극 체적 분율(void volume fraction)을 제공하도록 미세구조화된다. 일반적으로, 애노드 활성 재료의 공극 체적 분율은 적어도 0.1이다. 그러나, 통상적으로, 음극 활성 재료의 공극 체적 분율은 0.8 이하이다. 예를 들어, 일 실시예에서, 음극 활성 재료의 공극 체적 분율은 약 0.15 내지 약 0.75이다. 추가의 예로서, 일 실시예에서 애노드 활성 재료의 공극 체적 분율은 약 0.2 내지 약 0.7이다. 추가의 예로서, 일 실시예에서 애노드 활성 재료의 공극 체적 분율은 약 0.25 내지 약 0.6이다.
미세구조화된 애노드 활성 재료의 조성 및 자신의 형성의 방법에 의존하여, 미세구조화된 애노드 활성 재료는 거대다공성(macroporous), 미세다공성(microporous), 또는 중간다공성(mesoporous) 재료 층들 또는, 미세다공성과 중간다공성의 조합, 또는 중간다공성과 거대다공성의 조합과 같은, 이들의 조합을 포함할 수 있다. 미세다공성 재료는 10 nm 미만의 공극 치수(pore dimension), 10 nm 미만의 벽 치수(wall dimension), 1 내지 50 마이크로미터의 공극 깊이(pore depth), 그리고 "해면질(spongy)"이고 불규칙한 외관, 매끄럽지 않은 벽들, 및 분기형 공극들(branched pores)에 의해 일반적으로 특징화되는 공극 형태론(pore morphology)에 의해 통상적으로 특징화된다. 중간다공성 재료는, 통상적으로, 10 내지 50 nm의 공극 치수, 10 내지 50 nm의 벽 치수, 1 내지 100 마이크로미터의 공극 깊이, 및 일반적으로 어느 정도 잘 정의된 또는 수지상(well defined or dendritic) 공극들인 분기형 공극들에 의해 특징화되는 공극 형태론에 의해 특징화된다. 거대다공성 재료는 50 nm 초과의 공극 치수, 50 nm 초과의 벽 치수, 1 내지 500 마이크로미터의 공극 깊이, 및 다양한, 직선의, 분기형, 또는 수지상, 그리고 매끄러운 또는 거친 벽을 가질 수 있는 공극 형태론에 의해 통상적으로 특징화된다. 추가적으로, 공극 체적은 개방(open) 또는 폐쇄(closed) 공극들, 또는 이들의 조합을 포함할 수 있다. 일 실시예에서, 공극 체적은 개방 공극들을 포함한다, 즉, 애노드 활성 재료는, 리튬 이온들(또는 다른 캐리어 이온들)이 이를 통해 애노드 활성 재료에 진입하거나 또는 이탈할 수 있는 애노드 활성 재료의 측방향 표면에 있는 개구들을 갖는 공극들을 포함하고; 예를 들어, 리튬 이온들이 캐소드 활성 재료를 이탈한 이후에 공극 개구들을 통해 애노드 활성 재료에 진입할 수 있다. 다른 실시예에서, 공극 체적은 폐쇄 공극들을 포함한다, 즉, 애노드 활성 재료는 애노드 활성 재료에 의해 에워싸이는 공극들을 포함한다. 일반적으로, 개방 공극들은 캐리어 이온들에 대한 더 큰 계면 표면 면적을 제공할 수 있는 반면 폐쇄 공극들은 고체 전해질 계면(solid electrolyte interface)에 덜 취약한 경향이 있지만 각각이 캐리어 이온들의 진입 시에 음극 활성 재료의 팽창을 위한 공간(room)을 제공한다. 특정 실시예들에서, 따라서, 애노드 활성 재료가 개방 및 폐쇄 공극들의 조합을 포함하는 것이 바람직하다.
일 실시예에서, 애노드 활성 재료는 다공성 알루미늄, 주석 또는 실리콘 또는 이들의 합금을 포함한다. 다공성 실리콘 층들은, 예를 들어, 애노드화(anodization)에 의해, 에칭에 의해(예를 들어, 금, 백금, 은 또는 금/팔라듐과 같은 귀금속들을 단결정 실리콘의 표면 상에 퇴적시키고 이러한 표면을 불화수소 산과 수소 과산화물의 혼합물로 에칭하는 것에 의해), 또는 패터닝된 화학적 에칭(patterned chemical etching)과 같은 해당 분야에 알려진 다른 방법들에 의해 형성될 수 있다. 추가적으로, 다공성 애노드 활성 재료는 일반적으로 적어도 약 0.1의, 그러나 0.8 미만의 다공률 분율(porosity fraction)을 갖고 약 1 내지 약 100 마이크로미터의 두께를 가질 것이다. 예를 들어, 일 실시예에서, 애노드 활성 재료는 다공성 실리콘을 포함하고, 약 5 내지 약 100 마이크로미터의 두께를 갖고, 약 0.15 내지 약 0.75의 다공률 분율을 갖는다. 추가의 예로서, 일 실시예에서, 애노드 활성 재료는 다공성 실리콘을 포함하고, 약 10 내지 약 80 마이크로미터의 두께를 갖고, 약 0.15 내지 약 0.7의 다공률 분율을 갖는다. 추가의 예로서, 하나의 이러한 실시예에서, 애노드 활성 재료는 다공성 실리콘을 포함하고, 약 20 내지 약 50 마이크로미터의 두께를 갖고, 약 0.25 내지 약 0.6의 다공률 분율을 갖는다. 추가의 예로서, 일 실시예에서, 애노드 활성 재료는 (니켈 실리사이드와 같은) 다공성 실리콘 합금을 포함하고, 약 5 내지 약 100 마이크로미터의 두께를 갖고, 약 0.15 내지 약 0.75의 다공률 분율을 갖는다.
다른 실시예에서, 애노드 활성 재료는 알루미늄, 주석 또는 실리콘, 또는 이들의 합금의 섬유들을 포함한다. 개별 섬유들은 약 5 nm 내지 약 10,000 nm의 직경(두께 치수) 및 애노드 활성 재료의 두께에 일반적으로 대응하는 길이를 가질 수 있다. 실리콘의 섬유들(나노와이어들)은, 예를 들어, 화학 기상 퇴적 또는 VLS(vapor liquid solid) 성장 및 SLS(solid liquid solid) 성장과 같은 해당 분야에 알려진 다른 기법들에 의해 형성될 수 있다. 추가적으로, 애노드 활성 재료는 일반적으로 적어도 약 0.1의, 그러나 0.8 미만의 다공률 분율을 갖고, 약 1 내지 약 200 마이크로미터의 두께를 가질 것이다. 예를 들어, 일 실시예에서, 애노드 활성 재료는 실리콘 나노와이어들을 포함하고, 약 5 내지 약 100 마이크로미터의 두께를 갖고, 약 0.15 내지 약 0.75의 다공률 분율을 갖는다. 추가의 예로서, 일 실시예에서, 애노드 활성 재료는 실리콘 나노와이어들을 포함하고, 약 10 내지 약 80 마이크로미터의 두께를 갖고, 약 0.15 내지 약 0.7의 다공률 분율을 갖는다. 추가의 예로서, 하나의 이러한 실시예에서, 애노드 활성 재료는 실리콘 나노와이어들을 포함하고, 약 20 내지 약 50 마이크로미터의 두께를 갖고, 약 0.25 내지 약 0.6의 다공률 분율을 갖는다. 추가의 예로서, 일 실시예에서, 애노드 활성 재료는 (니켈 실리사이드와 같은) 실리콘 합금의 나노와이어들을 포함하고, 약 5 내지 약 100 마이크로미터의 두께를 갖고, 약 0.15 내지 약 0.75의 다공률 분율을 갖는다.
일 실시예에서, 애노드(110) 집단의 각각의 멤버는 하부, 상부, 및 하부로부터 상부로 그리고 애노드 구조체들(110) 및 캐소드 구조체들(112)의 교대 시퀀스가 진행하는 방향에 일반적으로 수직인 방향으로 연장되는 세로 축(AE)을 갖는다. 추가적으로, 애노드(110) 집단의 각각의 멤버는 애노드의 세로 축(AE)을 따라 측정되는 길이(LA), 애노드 구조체들 및 캐소드 구조체들의 교대 시퀀스가 진행하는 방향으로 측정되는 폭(WA), 및 길이(LA) 및 폭(WA)의 측정의 방향들 각각에 수직인 방향으로 측정되는 높이(HA)를 갖는다. 애노드 집단의 각각의 멤버는 자신의 세로 축에 수직인 평면에서의 전극의 돌출의 측(들)의 길이(들)의 합에 대응하는 둘레(PA)를 또한 갖는다. 길이 LA, 폭 WA 및 높이 HA에 대한 예시적인 값들이 위에 보다 상세히 논의된다.
일 실시예에 따르면, 애노드 집단의 멤버들은 제1 높이를 갖는 하나 이상의 제1 애노드 멤버, 및 제1 높이 이외의 제2 높이를 갖는 하나 이상의 제2 애노드 멤버를 포함한다. 예를 들어, 일 실시예에서, 하나 이상의 제1 애노드 멤버는 애노드 멤버들로 하여금 2차 제약 시스템의 일부분과 수직 방향(Z 축)으로 접촉하는 것을 허용하도록 선택되는 높이를 가질 수 있다. 예를 들어, 제1 애노드 멤버들 중 적어도 하나 또는 이들의 서브구조체가 2차 접속 멤버(166)로서 역할을 할 때와 같이, 제1 애노드 멤버들이 수직 축을 따라 제1 및 제2 2차 성장 제약들(158, 160) 사이에 연장되도록 그리고 이들 양자 모두와 접촉하도록 하나 이상의 제1 애노드 멤버의 높이가 충분할 수 있다. 또한, 일 실시예에 따르면, 예를 들어 하나 이상의 제2 애노드 멤버가 제1 및 제2 2차 성장 제약들(158,160) 양자 모두와 접촉하도록 완전히 연장되지 않도록, 하나 이상의 제2 애노드 멤버가 하나 이상의 제1 애노드 멤버 미만인 높이를 가질 수 있다. 또 다른 실시예에서, 하나 이상의 제1 애노드 멤버 및 하나 이상의 제2 애노드 멤버에 대한 상이한 높이들은, 세로 축 및/또는 가로 축 중 하나 이상을 따라서 상이한 높이들을 갖는 전극 어셈블리 형상과 같은, 전극 어셈블리(106)에 대한 미리 결정된 형상을 수용하도록, 및/또는 2차 배터리에 대한 미리 결정된 성능 특성들을 제공하도록 선택될 수 있다.
애노드 집단의 멤버들의 둘레(PA)는 에너지 저장 디바이스 및 자신의 의도되는 용도에 의존하여 유사하게 달라질 것이다. 그러나, 일반적으로, 애노드 집단의 멤버들은 약 0.025 mm 내지 약 25 mm의 범위에 있는 둘레(PA)를 통상적으로 가질 것이다. 예를 들어, 일 실시예에서, 애노드 집단의 각각의 멤버의 둘레(PA)는 약 0.1 mm 내지 약 15 mm의 범위에 있을 것이다. 추가의 예로서, 일 실시예에서, 애노드 집단의 각각의 멤버의 둘레(PA)는 약 0.5 mm 내지 약 10 mm의 범위에 있을 것이다.
일반적으로, 애노드 집단의 멤버들은 실질적으로 자신의 폭 (WA) 및 자신의 높이 (HA) 각각에 초과인 길이(LA)를 갖는다. 예를 들어, 일 실시예에서, LA 대 WA 및 HA 각각의 비율은, 애노드 집단의 각각의 멤버에 대해, 각각, 적어도 5:1이다(즉, LA 대 WA의 비율은, 각각, 적어도 5:1이고, LA 대 HA의 비율은, 각각, 적어도 5:1임). 추가의 예로서, 일 실시예에서 LA 대 WA 및 HA 각각의 비율은 적어도 10:1이다. 추가의 예로서, 일 실시예에서, LA 대 WA 및 HA 각각의 비율은 적어도 15:1이다. 추가의 예로서, 일 실시예에서, LA 대 WA 및 HA의 비율은, 애노드 집단의 각각의 멤버에 대해, 적어도 20:1이다.
추가적으로, 애노드 집단의 멤버들은 실질적으로 자신의 둘레(PA) 초과인 길이(LA)를 갖는 것이 일반적으로 바람직하고; 예를 들어, 일 실시예에서, LA 대 PA의 비율은, 애노드 집단의 각각의 멤버에 대해, 각각, 적어도 1.25:1이다. 추가의 예로서, 일 실시예에서 LA 대 PA의 비율은, 애노드 집단의 각각의 멤버에 대해, 각각, 적어도 2.5:1이다. 추가의 예로서, 일 실시예에서, LA 대 PA의 비율은, 애노드 집단의 각각의 멤버에 대해, 각각, 적어도 3.75:1이다.
일 실시예에서, 애노드 집단의 멤버들의 높이(HA) 대 폭(WA)의 비율은, 각각, 적어도 0.4:1이다. 예를 들어, 일 실시예에서, HA 대 WA의 비율은, 애노드 집단의 각각의 멤버에 대해, 각각, 적어도 2:1일 것이다. 추가의 예로서, 일 실시예에서 HA 대 WA의 비율은, 각각, 적어도 10:1일 것이다. 추가의 예로서, 일 실시예에서 HA 대 WA의 비율은, 각각, 적어도 20:1일 것이다. 그러나, 통상적으로, HA 대 WA의 비율은 일반적으로, 각각, 1,000:1 미만일 것이다. 예를 들어, 일 실시예에서 HA 대 WA의 비율은, 각각, 500:1 미만일 것이다. 추가의 예로서, 일 실시예에서 는 HA 대 WA의 비율은, 각각, 100:1 미만일 것이다. 추가의 예로서, 일 실시예에서 HA 대 WA의 비율은, 각각, 10:1 미만일 것이다. 추가의 예로서, 일 실시예에서 HA 대 WA의 비율은, 애노드 집단의 각각의 멤버에 대해, 각각 약 2:1 내지 약 100:1의 범위에 있을 것이다.
캐소드 집단의 각각의 멤버는 하부, 상부, 및 하부로부터 상부로 그리고 애노드 구조체들 및 캐소드 구조체들의 교대 시퀀스가 진행하는 방향에 일반적으로 수직인 방향으로 연장되는 세로 축(ACE)을 갖는다. 추가적으로, 캐소드 집단의 각각의 멤버는 세로 축(ACE)을 따라 측정되는 길이(LC), 애노드 구조체들 및 캐소드 구조체들의 교대 시퀀스가 진행하는 방향으로 측정되는 폭(WC), 및 길이(LC) 및 폭(WC)의 측정의 방향들 각각에 수직인 방향으로 측정되는 높이(HC)를 갖는다. 캐소드 집단의 각각의 멤버는 자신의 세로 축에 수직인 평면에서의 캐소드의 돌출의 측(들)의 길이(들)의 합에 대응하는 둘레(PC)를 또한 갖는다.
일 실시예에 따르면, 캐소드 집단의 멤버들은 제1 높이를 갖는 하나 이상의 제1 캐소드 멤버 및 제1 높이 이외의 제2 높이를 갖는 하나 이상의 제2 캐소드 멤버를 포함한다. 예를 들어, 일 실시예에서, 하나 이상의 제1 캐소드 멤버는 캐소드 멤버들이 2차 제약 시스템의 일부분과 수직 방향(Z 축)으로 접촉하는 것을 허용하도록 선택되는 높이를 가질 수 있다. 예를 들어, 제1 캐소드 멤버들 중 적어도 하나 또는 이들의 서브구조체가 2차 접속 멤버(166)로서 역할을 할 때와 같이, 제1 캐소드 멤버들이 수직 축을 따라 제1 및 제2 2차 성장 제약들(158, 160) 사이에 연장되도록 그리고 이들 양자 모두와 접촉하도록 하나 이상의 제1 캐소드 멤버의 높이가 충분할 수 있다. 또한, 일 실시예에 따르면, 예를 들어 하나 이상의 제2 캐소드 멤버가 제1 및 제2 2차 성장 제약들(158,160) 양자 모두와 접촉하도록 완전히 연장되지 않도록, 하나 이상의 제2 캐소드 멤버가 하나 이상의 제1 캐소드 멤버 미만인 높이를 가질 수 있다. 또 다른 실시예에서, 하나 이상의 제1 캐소드 멤버 및 하나 이상의 제2 캐소드 멤버에 대한 상이한 높이들은, 세로 축 및/또는 가로 축 중 하나 이상을 따라서 상이한 높이들을 갖는 전극 어셈블리 형상과 같은, 전극 어셈블리(106)에 대한 미리 결정된 형상을 수용하도록, 및/또는 2차 배터리에 대한 미리 결정된 성능 특성들을 제공하도록 선택될 수 있다.
캐소드 집단의 멤버들의 둘레(PC)는 에너지 저장 디바이스 및 자신의 의도되는 용도에 의존하여 유사하게 달라질 것이다. 그러나, 일반적으로, 캐소드 집단의 멤버들은 약 0.025 mm 내지 약 25 mm의 범위에 있는 둘레(PC)를 통상적으로 가질 것이다. 예를 들어, 일 실시예에서, 캐소드 집단의 각각의 멤버의 둘레(PC)는 약 0.1 mm 내지 약 15 mm의 범위에 있을 것이다. 추가의 예로서, 일 실시예에서, 캐소드 집단의 각각의 멤버의 둘레(PC)는 약 0.5 mm 내지 약 10 mm의 범위에 있을 것이다.
일반적으로, 캐소드 집단의 각각의 멤버는 실질적으로 폭(WC) 초과이고 실질적으로 자신의 높이 (HC) 초과인 길이(LC)를 갖는다. 예를 들어, 일 실시예에서, LC 대 WC 및 HC 각각의 비율은, 캐소드 집단의 각각의 멤버에 대해, 각각, 적어도 5:1이다(즉, LC 대 WC의 비율은, 각각, 적어도 5:1이고, LC 대 HC의 비율은, 각각, 적어도 5:1임). 추가의 예로서, 일 실시예에서 LC 대 WC 및 HC 각각의 비율은 캐소드 집단의 각각의 멤버에 대해 적어도 10:1이다. 추가의 예로서, 일 실시예에서, LC 대 WC 및 HC 각각의 비율은 캐소드 집단의 각각의 멤버에 대해 적어도 15:1이다. 추가의 예로서, 일 실시예에서, LC 대 WC 및 HC 각각의 비율은 캐소드 집단의 각각의 멤버에 대해 적어도 20:1이다.
추가적으로, 캐소드 집단의 멤버들은 실질적으로 자신의 둘레(PC) 초과인 길이(LC)를 갖는 것이 일반적으로 바람직하고; 예를 들어, 일 실시예에서, LC 대 PC의 비율은, 캐소드 집단의 각각의 멤버에 대해, 각각, 적어도 1.25:1이다. 추가의 예로서, 일 실시예에서 LC 대 PC의 비율은, 캐소드 집단의 각각의 멤버에 대해, 각각, 적어도 2.5:1이다. 추가의 예로서, 일 실시예에서, LC 대 PC의 비율은, 캐소드 집단의 각각의 멤버에 대해, 각각, 적어도 3.75:1이다.
일 실시예에서, 캐소드 집단의 멤버들의 높이(HC) 대 폭(WC)의 비율은, 각각, 적어도 0.4:1이다. 예를 들어, 일 실시예에서, HC 대 WE의 비율은, 캐소드 집단의 각각의 멤버에 대해, 각각, 적어도 2:1일 것이다. 추가의 예로서, 일 실시예에서 HC 대 WC의 비율은, 캐소드 집단의 각각의 멤버에 대해, 각각, 적어도 10:1일 것이다. 추가의 예로서, 일 실시예에서 HC to WC의 비율은, 캐소드 집단의 각각의 멤버에 대해, 각각, 적어도 20:1일 것이다. 그러나, 통상적으로, HC 대 WC의 비율은, 캐소드 집단의 각각의 멤버에 대해, 일반적으로, 각각, 1,000:1 미만일 것이다. 예를 들어, 일 실시예에서, HC 대 WC의 비율은, 캐소드 집단의 각각의 멤버에 대해, 각각, 500:1 미만일 것이다. 추가의 예로서, 일 실시예에서 HC 대 WC의 비율은, 각각, 100:1 미만일 것이다. 추가의 예로서, 일 실시예에서 HC 대 WC의 비율은, 각각, 10:1 미만일 것이다. 추가의 예로서, 일 실시예에서 HC 대 WC의 비율은, 캐소드 집단의 각각의 멤버에 대해, 각각, 약 2:1 내지 약 100:1의 범위에 있을 것이다.
일 실시예에서, 애노드 집단의 각각의 멤버에 의해 포함되는 애노드 전류 도전체 층(136)은 이러한 애노드 전류 콜렉터를 포함하는 멤버의 길이 LNE의 적어도 50%인 길이 LNC를 갖는다. 추가의 예로서, 일 실시예에서 애노드 집단의 각각의 멤버에 의해 포함되는 애노드 전류 도전체 층(136)은 이러한 애노드 전류 콜렉터를 포함하는 멤버의 길이 LNE의 적어도 60%인 길이 LNC를 갖는다. 추가의 예로서, 일 실시예에서 애노드 집단의 각각의 멤버에 의해 포함되는 애노드 전류 도전체 층(136)은 이러한 애노드 전류 콜렉터를 포함하는 멤버의 길이 LNE의 적어도 70%인 길이 LNC를 갖는다. 추가의 예로서, 일 실시예에서 애노드 집단의 각각의 멤버에 의해 포함되는 애노드 전류 도전체 층(136)은 이러한 애노드 전류 콜렉터를 포함하는 멤버의 길이 LNE의 적어도 80%인 길이 LNC를 갖는다. 추가의 예로서, 일 실시예에서 애노드 집단의 각각의 멤버에 의해 포함되는 애노드 전류 도전체 층(136)은 이러한 애노드 전류 콜렉터를 포함하는 멤버의 길이 LNE의 적어도 90%인 길이 LNC를 갖는다.
일 실시예에서, 캐소드 집단의 각각의 멤버에 의해 포함되는 캐소드 전류 도전체(140)는 이러한 캐소드 전류 콜렉터를 포함하는 멤버의 길이 LPE의 적어도 50%인 길이 LPC를 갖는다. 추가의 예로서, 일 실시예에서 캐소드 집단의 각각의 멤버에 의해 포함되는 캐소드 전류 도전체(140)는 이러한 캐소드 전류 콜렉터를 포함하는 멤버의 길이 LPE의 적어도 60%인 길이 LPC를 갖는다. 추가의 예로서, 일 실시예에서 캐소드 집단의 각각의 멤버에 의해 포함되는 캐소드 전류 도전체(140)는 이러한 캐소드 전류 콜렉터를 포함하는 멤버의 길이 LPE의 적어도 70%인 길이 LPC를 갖는다. 추가의 예로서, 일 실시예에서 캐소드 집단의 각각의 멤버에 의해 포함되는 캐소드 전류 도전체(140)는 이러한 캐소드 전류 콜렉터를 포함하는 멤버의 길이 LPE의 적어도 80%인 길이 LPC를 갖는다. 추가의 예로서, 일 실시예에서 캐소드 집단의 각각의 멤버에 의해 포함되는 캐소드 전류 도전체(140)는 이러한 캐소드 전류 콜렉터를 포함하는 멤버의 길이 LPE의 적어도 90%인 길이 LPC를 갖는다.
일 실시예에서, 애노드 활성 재료 층과 분리기 사이에 배치될 때, 애노드 전류 콜렉터(136)는 애노드 전류 콜렉터로부터 애노드 활성 재료 층의 표면을 가로질러 전류를 분산시키는 것에 의해 보다 균일한 캐리어 이온 수송을 용이하게 할 수 있다. 이것은, 결국, 캐리어 이온들의 보다 균일한 삽입 및 추출을 용이하게 하고, 그렇게 함으로써 사이클링 동안 애노드 활성 재료 층에서의 스트레스를 감소시킬 수 있고; 애노드 전류 콜렉터(136)가 분리기를 대면하는 애노드 활성 재료 층의 표면에 전류를 분산시키므로, 캐리어 이온들에 대한 애노드 활성 재료 층의 반응성은 캐리어 이온 농도가 최대인 곳에서 최대일 것이다. 또 다른 실시예에서, 애노드 전류 콜렉터(136) 및 애노드 활성 재료 층의 위치들은 반전될 수 있다.
일 실시예에 따르면, 캐소드 구조체 집단의 각각의 멤버는, 예를 들어, 캐소드 백본과 캐소드 활성 재료 층 사이에 배치될 수 있는 캐소드 전류 콜렉터(140)를 갖는다. 또한, 애노드 전류 콜렉터(136) 및 캐소드 전류 콜렉터(140) 중 하나 이상은 알루미늄, 탄소, 크롬, 금, 니켈, NiP, 팔라듐, 백금, 로듐, 루테늄, 실리콘과 니켈의 합금, 티타늄, 또는 이들의 조합을 포함할 수 있다("Current collectors for positive electrodes of lithium-based batteries" by A. H. Whitehead and M. Schreiber, Journal of the Electrochemical Society, 152(11) A2105-A2113 (2005) 참조). 추가의 예로서, 일 실시예에서, 캐소드 전류 콜렉터(140)는 금 또는 금 실리사이드와 같은 그것의 합금을 포함한다. 추가의 예로서, 일 실시예에서, 캐소드 전류 콜렉터(140)는 니켈, 또는 니켈 실리사이드와 같은 그것의 합금을 포함한다.
대안적인 실시예에서, 예를 들어 캐소드 전극 전류 콜렉터 층이 분리기 층과 캐소드 활성 재료 층 사이에 배치되도록, 캐소드 전류 콜렉터 층 및 캐소드 전극 활성 재료 층의 위치들이 반전될 수 있다. 이러한 실시예에서, 바로 인접하는 캐소드 활성 재료 층에 대한 캐소드 전극 전류 콜렉터(140)는 애노드 전류 콜렉터 층과 관련하여 설명되는 조성 및 구성을 갖는 이온적 투과성 도전체를 포함한다; 즉, 캐소드 전류 콜렉터 층은 이온적 및 전기적 양자 모두로 도전성인 이온적 투과성 도전체 재료의 층을 포함한다. 이러한 실시예에서, 애노드 전극 전류 콜렉터 층은 전기화학적 스택에서 캐소드 전극 전류 콜렉터 층의 하나의 측 상의 바로 인접하는 캐소드 전극 활성 재료 층 및 캐소드 전극 전류 콜렉터 층의 다른 측 상의 바로 인접하는 분리기 층 사이의 캐리어 이온들의 이동을 용이하게 하는 캐리어 이온들에 대한 두께, 전기 도전율, 및 이온 도전율을 갖는다.
전기적 절연 분리기 층들(130)은 애노드 구조체(110) 집단의 각각의 멤버를 둘러싸고 캐소드 구조체(112) 집단의 각각의 멤버로부터 전기적으로 격리시킬 수 있다. 전기적 절연 분리기 층들(130)은 비-수성 전해질로 침투될 수 있는 미세다공성 분리기 재료를 통상적으로 포함할 것이고; 예를 들어, 일 실시예에서, 미세다공성 분리기 재료는 적어도 50 
의, 보다 통상적으로는 약 2,500 
의 범위에 있는 직경, 및 약 25% 내지 약 75%의 범위에 있는, 보다 통상적으로는 약 35 내지 55%의 범위에 있는 다공률을 갖는 공극들을 포함한다. 추가적으로, 미세다공성 분리기 재료는 애노드 및 캐소드 집단들의 인접하는 멤버들 사이의 캐리어 이온들의 도전을 허용하도록 비-수성 전해질로 침투될 수 있다. 특정 실시예들에서, 예를 들어, 그리고 미세다공성 분리기 재료의 다공률을 무시하면, 충전 또는 방전 사이클 동안 이온 교환을 위한 애노드 구조체(110) 집단의 멤버와 캐소드 구조체(112) 집단의 가장 가까운 멤버(들)(즉, "인접하는 쌍(adjacent pair)) 사이의 전기적 절연 분리기 재료의 적어도 70 vol%는 미세다공성 분리기 재료이고; 상이하게 언급하자면, 미세다공성 분리기 재료는 애노드 구조체(110) 집단의 멤버와 캐소드(112) 구조체 집단의 가장 가까운 멤버 사이의 전기적 절연 재료의 적어도 70 vol%를 구성한다. 추가의 예로서, 일 실시예에서, 그리고 미세다공성 분리기 재료의 다공률을 무시하면, 미세다공성 분리기 재료는, 각각, 애노드 구조체(110) 집단의 멤버들과 캐소드 구조체(112) 집단의 멤버들의 인접하는 쌍들 사이의 전기적 절연 분리기 재료 층의 적어도 75 vol% 를 구성한다. 추가의 예로서, 일 실시예에서, 그리고 미세다공성 분리기 재료의 다공률을 무시하면, 미세다공성 분리기 재료는, 각각, 애노드 구조체(110) 집단의 멤버들과 캐소드 구조체(112) 집단의 멤버들의 인접하는 쌍들 사이의 전기적 절연 분리기 재료 층의 적어도 80 vol% 를 구성한다. 추가의 예로서, 일 실시예에서, 그리고 미세다공성 분리기 재료의 다공률을 무시하면, 미세다공성 분리기 재료는, 각각, 애노드 구조체(110) 집단의 멤버들과 캐소드 구조체(112) 집단의 멤버들의 인접하는 쌍들 사이의 전기적 절연 분리기 재료 층의 적어도 85 vol% 를 구성한다. 추가의 예로서, 일 실시예에서, 그리고 미세다공성 분리기 재료의 다공률을 무시하면, 미세다공성 분리기 재료는, 각각, 애노드 구조체(110) 집단의 멤버들과 캐소드 구조체(112) 집단의 멤버들의 인접하는 쌍들 사이의 전기적 절연 분리기 재료 층의 적어도 90 vol% 를 구성한다. 추가의 예로서, 일 실시예에서, 그리고 미세다공성 분리기 재료의 다공률을 무시하면, 미세다공성 분리기 재료는, 각각, 애노드 구조체(110) 집단의 멤버들과 캐소드 구조체(112) 집단의 멤버들의 인접하는 쌍들 사이의 전기적 절연 분리기 재료 층의 적어도 95 vol% 를 구성한다. 추가의 예로서, 일 실시예에서, 그리고 미세다공성 분리기 재료의 다공률을 무시하면, 미세다공성 분리기 재료는, 각각, 애노드 구조체(110) 집단의 멤버들과 캐소드 구조체(112) 집단의 멤버들의 인접하는 쌍들 사이의 전기적 절연 분리기 재료 층의 적어도 99 vol% 를 구성한다.
일 실시예에서, 미세다공성 분리기 재료는 미립자 재료(particulate material) 및 결합제를 포함하고, 적어도 약 20 vol.%의 다공률(공극률)을 갖는다. 미세다공성 분리기 재료의 공극들은 적어도 50 
의 직경을 가질 것이고 통상적으로 약 250 내지 2,500 
의 범위 내에 속할 것이다. 미세다공성 분리기 재료는 약 75% 미만의 다공률을 통상적으로 가질 것이다. 일 실시예에서, 미세다공성 분리기 재료는 적어도 약 25 vol%의 다공률(공극률)을 갖는다. 일 실시예에서, 미세다공성 분리기 재료는 약 35 내지 55%의 다공률을 가질 것이다.
미세다공성 분리기 재료를 위한 결합제는 광범위한 무기 또는 폴리머 재료들로부터 선택될 수 있다. 예를 들어, 일 실시예에서, 결합제는 실리케이트들, 포스페이트들, 알루미네이트들, 알루미노실리케이트들, 및 마그네슘 수산화물, 칼슘 수산화물 등과 같은 수산화물들로 구성되는 그룹으로부터 선택되는 유기 재료이다. 예를 들어, 일 실시예에서, 결합제는 비닐리덴 플루오르화물, 헥사플루오로프로필렌, 테트라플루오로프로펜 등을 함유하는 단량체들로부터 도출되는 플루오로폴리머이다. 또 다른 실시예에서, 결합제는 임의의 범위의 변화하는 분자량들 및 밀도들을 갖는 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 또는 폴리부텐과 같은 폴리올레핀이다. 또 다른 실시예에서, 결합제는 에틸렌-디엔-프로펜 3량체(ethylene-diene-propene terpolymer), 폴리스티렌, 폴리메틸 메타크릴레이트, 폴리에틸렌 글리콜, 폴리비닐 아세테이트, 폴리비닐 부티랄, 폴리아세탈, 및 폴리에틸렌글리콜 디아크릴레이트로 구성되는 그룹으로부터 선택된다. 또 다른 실시예에서, 결합제는 메틸 셀룰로오스, 카르복시메틸 셀룰로오스, 스티렌 고무(styrene rubber), 부타디엔 고무, 스티렌-부타디엔 고무, 이소프렌 고무, 폴리아크릴아미드, 폴리비닐 에테르, 폴리아크릴 산, 폴리메타크릴 산, 및 폴리에틸렌 산화물로 구성되는 그룹으로부터 선택된다. 또 다른 실시예에서, 결합제는 아크릴레이트들, 스티렌들, 에폭시들, 및 실리콘들로 구성되는 그룹으로부터 선택된다. 다른 실시예에서, 결합제는 전술된 폴리머들 중 2개 이상의 폴리머들의 코폴리머(copolymer) 또는 블렌드(blend)이다.
미세다공성 분리기 재료에 의해 포함되는 미립자 재료는 광범위한 재료들로부터 또한 선택될 수 있다. 일반적으로, 이러한 재료들은 동작 온도들에서 비교적 낮은 전자 및 이온 도전율을 갖고, 미세다공성 분리기 재료와 접촉하는 전류 콜렉터 또는 배터리 전극의 동작 전압들 하에서 부식되지 않는다. 예를 들어, 일 실시예에서, 미립자 재료는 1 x 10-4 S/cm 미만의 캐리어 이온들(예를 들어, 리튬)에 대한 도전율을 갖는다. 추가의 예로서, 일 실시예에서, 미립자 재료는 1 x 10-5 S/cm 미만의 캐리어 이온들에 대한 도전율을 갖는다. 추가의 예로서, 일 실시예에서, 미립자 재료는 1 x 10-6 S/cm 미만의 캐리어 이온들에 대한 도전율을 갖는다. 예시적인 미립자 재료들은 미립자 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, TiO2-폴리머 복합물, 실리카 에어로겔, 흄드 실리카(fumed silica), 실리카 겔, 실리카 하이드로겔, 실리카 크세로겔, 실리카 졸, 콜로이드성 실리카, 알루미나, 티타니아, 마그네시아, 카올린, 탤크, 규조토, 칼슘 실리케이트, 알루미늄 실리케이트, 칼슘 카보네이트, 마그네슘 카보네이트, 또는 이들의 조합을 포함한다. 예를 들어, 일 실시예에서, 미립자 재료는 TiO2, SiO2, Al2O3,GeO2, B2O3, Bi2O3, BaO, ZnO, ZrO2, BN, Si3N4, Ge3N4와 같은 미립자 산화물 또는 질화물을 포함한다. 예를 들어, P. Arora and J. Zhang, "Battery Separators" Chemical Reviews 2004, 104, 4419-4462를 참조한다. 일 실시예에서, 미립자 재료는 약 20 nm 내지 2 마이크로미터, 보다 통상적으로 200 nm 내지 1.5 마이크로미터의 평균 입자 크기를 가질 것이다. 일 실시예에서, 미립자 재료는 약 500 nm 내지 1 마이크로미터의 평균 입자 크기를 가질 것이다.
대안적인 실시예에서, 배터리가 기능하기 위한 이온 도전율을 제공하기 위해 전해질 침입(electrolyte ingress)에 대해 요망되는 공극률을 유지하면서, 소결, 결합, 경화 등과 같은 기법들에 의해, 미세다공성 분리기 재료에 의해 포함되는 미립자 재료가 결합될 수 있다.
미세다공성 분리기 재료들은, 예를 들어, 입자들이 정전기 인력 또는 반 데르 발스 힘들과 같은 표면 에너지에 의해 합체되는(coalesced) 미립자 분리기 재료의 전기영동 퇴적, 미립자 분리기 재료의 (스핀 또는 스프레이 코팅을 포함하는) 슬러리 퇴적, 스크린 인쇄, 딥 코팅(dip coating), 및 정전기 스프레이 퇴적에 의해 퇴적될 수 있다. 결합제들은 퇴적 프로세스에서 포함될 수 있다; 예를 들어, 미립자 재료는 용매 증발 시에 침전되는 용해된 결합제로 슬러리 퇴적될 수 있거나, 용해된 결합제 재료의 존재 하에 전기영동으로 퇴적될 수 있거나, 또는 결합제 및 절연 입자들 등으로 공동-전기영동으로(co-electrophoretically) 퇴적될 수 있다. 대안적으로, 또는 추가적으로, 입자들이 전극 구조체 내에 또는 그 상에 퇴적된 이후에 결합제들이 첨가될 수 있다; 예를 들어, 미립자 재료는 유기 결합제 용액에 분산되어 딥 코팅 또는 스프레이 코팅될 수 있으며, 후속하여 부착 강도를 제공하기 위해 결합제 재료를 건조, 용융, 또는 가교 결합(cross-link)시킬 수 있다.
조립된 에너지 저장 디바이스에서, 미세다공성 분리기 재료는 2차 배터리 전해질로서 사용하기에 적합한 비-수성 전해질로 침투된다. 통상적으로, 이러한 비-수성 전해질은 유기 용매에 용해되는 리튬 염을 포함한다. 예시적인 리튬 염들은 LiClO4, LiBF4, LiPF6, LiAsF6, LiCl, 및 LiBr과 같은 무기 리튬 염들; 및 LiB(C6H5)4, LiN(SO2CF3)2, LiN(SO2CF3)3, LiNSO2CF3, LiNSO2CF5, LiNSO2C4F9, LiNSO2C5F11, LiNSO2C6F13, 및 LiNSO2C7F15와 같은 유기 리튬 염들을 포함한다. 리튬 염을 용해하는 예시적인 유기 용매들은 환상 에스테르들(cyclic esters), 사슬 에스테르들(chain esters), 환상 에테르들, 및 사슬 에테르들을 포함한다. 환상 에스테르들의 구체적인 예들은 프로필렌 카보네이트, 부틸렌 카보네이트, γ-부틸로락톤, 비닐렌 카보네이트, 2-메틸-γ-부틸로락톤, 아세틸-γ-부틸로락톤, 및 γ-발레로락톤을 포함한다. 사슬 에스테르들의 구체적인 예들은 디메틸 카보네이트, 디에틸 카보네이트, 디부틸 카보네이트, 디프로필 카보네이트, 메틸 에틸 카보네이트, 메틸 부틸 카보네이트, 메틸 프로필 카보네이트, 에틸 부틸 카보네이트, 에틸 프로필 카보네이트, 부틸 프로필 카보네이트, 알킬 프로피오네이트, 디알킬 말로네이트, 및 알킬 아세테이트를 포함한다. 환상 에테르들의 구체적인 예들은 테트라히드로푸란, 알킬테트라히드로푸란, 디알킬테트라히드로푸란, 알콕시테트라히드라푸란, 디알콕시테트라히드라푸란, 1,3-디옥솔란, 알킬-1,3-디옥솔란, 1,4-디옥솔란을 포함한다. 사슬 에테르들의 구체적인 예들은 1,2- 디메톡시에탄, 1,2-디에톡시에탄, 디에틸 에테르, 에틸렌 글리콜 디알킬 에테르, 디에틸렌 글리콜 디알킬 에테르, 트리에틸렌 글리콜 디알킬 에테르, 및 테트라에틸렌 글리콜 디알킬 에테르를 포함한다.
또한, 일 실시예에 따르면, 미세다공성 분리기(130) 및 다른 애노드(110) 및/또는 캐소드 구조체들(112)을 포함하는 2차 배터리(102)의 컴포넌트들은, 심지어 2차 배터리(102)의 충전 및 방전 동안 애노드 활성 재료(132)의 팽창이 발생하는 경우에도, 이러한 컴포넌트들이 기능하는 것을 허용하는 구성 및 조성을 포함한다. 즉, 이러한 컴포넌트들은 이들의 충전/방전 동안의 애노드 전극 활성 재료(132)의 팽창으로 인한 컴포넌트들의 장애가 수용 가능한 제한들 내에 있도록 구조화될 수 있다.
참조에 의한 포함
이하 열거되는 아이템들을 포함하는, 본 명세서에 언급되는 모든 공보들 및 특허들은, 각각의 개별 공보 또는 특허가 참조에 의해 구체적으로 그리고 개별적으로 원용되는 것처럼 모든 목적들을 위해 그들의 전체가 참조로 본 명세서에 의해 원용된다. 충돌들의 경우에, 본 명세서에서의 임의의 정의들을 포함하는, 본 출원이 제어할 것이다.
균등물들
구체적인 실시예들이 논의되었지만, 위 명세서는 예시적이고, 한정적인 것은 아니다. 많은 변형들이 본 명세서의 검토 시에 해당 분야에서의 기술자들에게 명백해질 것이다. 실시예들의 전체 범위는 청구항들을, 균등물들의 그들의 전체 범위와 함께, 그리고 명세서를, 이러한 변형들과 함께, 참조하여 결정되어야 한다.
달리 표시되지 않는 한, 명세서 및 청구항들에서 사용되는 구성 요소들의 수량들, 반응 조건들 등을 표현하는 모든 수들은 모든 사례들에서 "약(about)"이라는 용어에 의해 수정되는 것으로서 이해되어야 한다. 따라서, 반대로 표시되지 않는 한, 본 명세서 및 첨부 청구항들에서 제시되는 수치 파라미터들은 획득될 것으로 추구되는 요망되는 속성들에 의존하여 달라질 수 있는 근사화들이다.
Claims (197)
- 충전 상태와 방전 상태 사이에 사이클링하기 위한 2차 배터리로서, 상기 2차 배터리는 배터리 인클로저, 전극 어셈블리, 캐리어 이온들, 및 상기 배터리 인클로저 내의 비-수성 액체 전해질을 포함하고,
상기 전극 어셈블리는 애노드 구조체들의 집단, 캐소드 구조체들의 집단, 및 상기 애노드 및 캐소드 구조체 집단들의 멤버들을 전기적으로 분리하는 전기적 절연 미세다공성 분리기 재료를 포함하고, 상기 애노드 및 캐소드 구조체 집단들은 세로 방향으로 교대 시퀀스로 배열되고, 상기 애노드 구조체 집단의 각각의 멤버는, 상기 2차 배터리가 충전 상태에 있을 때, 제1 단면 면적, A1을 갖고 상기 2차 배터리가 방전 상태에 있을 때, 제2 단면 면적, A2을 갖고, 상기 캐소드 구조체 집단의 각각의 멤버는, 상기 2차 배터리가 충전 상태에 있을 때, 제1 단면 면적, C1을 갖고 상기 2차 배터리가 방전 상태에 있을 때, 제2 단면 면적, C2을 갖고, 상기 애노드 및 캐소드 구조체 집단들의 멤버들의 단면 면적들은 상기 세로 방향에 평행한 제1 세로 평면에서 측정되고;
상기 전극 어셈블리는 충전 상태와 방전 상태 사이의 상기 2차 배터리의 사이클링 시에 상기 세로 방향으로의 상기 전극 어셈블리의 성장을 적어도 부분적으로 저지하는 전극 제약들의 세트를 추가로 포함하고;
상기 캐소드 구조체들의 집단의 각각의 멤버는 캐소드 활성 재료의 층을 포함하고, 상기 애노드 구조체들의 집단의 각각의 멤버는 상기 2차 배터리가 방전 상태로부터 충전 상태로 충전될 때 애노드 활성 재료의 몰 당 1 몰 초과의 캐리어 이온을 수용하는 용량을 갖는 애노드 활성 재료의 층을 포함하고,
A1은 상기 애노드 구조체 집단의 서브세트의 멤버들 각각에 대해 A2 초과이고, C1은 상기 캐소드 구조체 집단의 서브세트의 멤버들 각각에 대해 C2 미만이고;
상기 충전 상태는 상기 2차 배터리의 정격 용량(rated capacity)의 적어도 75%이고, 상기 방전 상태는 상기 2차 배터리의 정격 용량의 25% 미만인 2차 배터리. - 제1항에 있어서, 상기 애노드 구조체 집단 서브세트는 상기 2차 배터리가 충전 상태에 있을 때 제1 중간 단면 면적 MAA1을 갖고 상기 2차 배터리가 방전 상태에 있을 때 제2 중간 단면 면적 MAA2를 갖고, 상기 캐소드 구조체 집단 서브세트는 상기 2차 배터리가 방전 상태에 있을 때 제1 중간 단면 면적 MAc1을 갖고 상기 2차 배터리가 방전 상태에 있을 때 제2 중간 단면 면적 MAc2를 갖고, MAA1은 MAA2 초과이고 MAC1은 MAC2 미만인 2차 배터리.
- 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 애노드 구조체 집단 서브세트는 적어도 2개의 멤버들을 포함하고, 상기 캐소드 구조체 집단 서브세트는 적어도 2개의 멤버들을 포함하는 2차 배터리.
- 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 애노드 구조체 집단 서브세트는 적어도 5개의 멤버들을 포함하고, 상기 캐소드 구조체 집단은 적어도 5개의 멤버들을 포함하는 2차 배터리.
- 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 애노드 구조체 집단 서브세트는 상기 애노드 구조체들의 전체적인 집단의 적어도 10%를 포함하고, 상기 캐소드 구조체 집단은 상기 캐소드 구조체들의 전체적인 집단의 적어도 10%를 포함하는 2차 배터리.
- 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 애노드 구조체 집단 서브세트는 상기 애노드 구조체들의 전체적인 집단의 적어도 25%를 포함하고, 상기 캐소드 구조체 집단은 상기 캐소드 구조체들의 전체적인 집단의 적어도 25%를 포함하는 2차 배터리.
- 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 애노드 구조체 집단 서브세트는 상기 애노드 구조체들의 전체적인 집단의 적어도 50%를 포함하고, 상기 캐소드 구조체 집단은 상기 캐소드 구조체들의 전체적인 집단의 적어도 50%를 포함하는 2차 배터리.
- 제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 애노드 구조체 집단 서브세트는 상기 애노드 구조체들의 전체적인 집단의 적어도 75%를 포함하고, 상기 캐소드 구조체 집단은 상기 캐소드 구조체들의 전체적인 집단의 적어도 75%를 포함하는 2차 배터리.
- 제1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 애노드 구조체 집단 서브세트는 상기 애노드 구조체들의 전체적인 집단의 적어도 90%를 포함하고, 상기 캐소드 구조체 집단은 상기 캐소드 구조체들의 전체적인 집단의 적어도 75%를 포함하는 2차 배터리.
- 제1항 내지 제9항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 애노드 구조체 집단 서브세트는 3개 내지 5개의 멤버들을 포함하고, 상기 캐소드 구조체 집단은 3개 내지 5개의 멤버들을 포함하는 2차 배터리.
- 제1항 내지 제10항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 애노드 구조체들의 집단의 멤버들은 길이 LA를 포함하고, 상기 캐소드 구조체들의 집단의 멤버들은, 상기 멤버의 하부로부터 상기 멤버의 상부까지 연장되는 길이 LC를 포함하고, 상기 하부는 상기 멤버가 연장되는 평면에 근접하고, 상기 상부는 상기 평면에 대해 원위이고, 상기 제1 세로 평면은 상기 길이들 LA 및 LC의 방향에 수직인 2차 배터리.
- 제1항 내지 제11항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 캐소드 집단의 각각의 멤버는 직교 높이 HC, 폭 WC, 및 길이 LC방향들을 포함하고, 상기 길이 LC 대 상기 높이 HC 및 폭 WC 각각의 비율은 적어도 5:1인 2차 배터리.
- 제1항 내지 제12항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 캐소드 집단의 각각의 멤버는 직교 높이 HC, 폭 WC, 및 길이 LC방향들을 포함하고, 상기 길이 LC 대 상기 높이 HC 및 폭 WC 각각의 비율은 적어도 10:1인 2차 배터리.
- 제13항에 있어서, 상기 세로 평면은 Z-Y 평면에 있고, Y는 상기 세로 방향에 평행한 축에 대응하고, Z는 상기 세로 축에 직교하는 그리고 각각, 상기 애노드 구조체들 및 캐소드 구조체들의 집단의 멤버들의 길이들 LA 및 LC에 또한 직교하는 축에 대응하는 2차 배터리.
- 제13항에 있어서, 상기 세로 평면은 Y 축을 따라 회전되는 바와 같이 Z-Y 평면으로부터 15도 미만 떨어진 평면에 있고, 상기 Y 축은 상기 세로 방향에 평행한 축에 대응하고, Z는 상기 세로 축에 직교하는, 그리고 각각, 상기 애노드 구조체들 및 캐소드 구조체들의 집단의 멤버들의 길이들 LA 및 LC에 또한 직교하는 축에 대응하는 2차 배터리.
- 제13항에 있어서, 상기 세로 평면은 Y 축을 따라 회전되는 바와 같이 Z-Y 평면으로부터 45도 미만 떨어진 평면에 있고, 상기 Y 축은 상기 세로 방향에 평행한 축에 대응하고, Z는 상기 세로 축에 직교하는, 그리고 각각, 상기 애노드 구조체들 및 캐소드 구조체들의 집단의 멤버들의 길이들 LA 및 LC에 또한 직교하는 축에 대응하는 2차 배터리.
- 제13항에 있어서, 상기 세로 평면은 Y 축을 따라 회전되는 바와 같이 Z-Y 평면으로부터 45도 초과이지만 90도 미만인 평면에 있고, 상기 Y 축은 상기 세로 방향에 평행한 축에 대응하고, Z는 상기 세로 축에 직교하는, 그리고 각각, 상기 애노드 구조체들 및 캐소드 구조체들의 집단의 멤버들의 길이들 LA 및 LC에 또한 직교하는 축에 대응하는 2차 배터리.
- 제13항에 있어서, 상기 세로 평면은 XY 평면에 있고, 상기 Y 축은 상기 세로 방향에 평행한 축에 대응하고, 상기 X 축은 상기 세로 축에 직교하는, 그리고 각각, 상기 애노드 구조체들 및 캐소드 구조체들의 집단의 멤버들의 길이 LA 및 Lc에 또한 평행한 축에 대응하는 2차 배터리.
- 제1항 내지 제18항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 애노드 구조체 집단 서브세트의 적어도 하나의 멤버는 상기 2차 배터리가 충전 상태에 있을 때, 제1 중간 단면 면적 MLA1을 갖고, 상기 2차 배터리가 방전 상태에 있을 때, 제2 중간 단면 면적 MLA2를 갖고, 상기 캐소드 구조체 집단 서브세트의 적어도 하나의 멤버는 상기 2차 배터리가 충전 상태에 있을 때, 제1 중간 단면 면적 MLC1을 갖고, 상기 2차 배터리가 방전 상태에 있을 때, 제2 중간 단면 면적 MLC2을 갖고, 상기 중간 단면 면적 MLA1, MLA2, MLC1 및 MLC2는 각각의 멤버에 대해 상기 세로 방향에 평행한 복수의 세로 평면들에서 측정되고,
MLA1은 상기 애노드 구조체 집단의 서브세트의 멤버들 각각에 대해 MLA2 초과이고, MLC1은 상기 캐소드 구조체 집단의 서브세트의 멤버들 각각에 대해 MLC2 미만인 2차 배터리. - 제1항 내지 제19항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 중간 단면 면적들 MLA1, MLA2, MLC1 및 MLC2는 상기 애노드 및 캐소드 구조체 집단 서브세트들에 대해 적어도 3개의 세로 평면들에서 측정되는 바와 같은 중간 단면 면적들인 2차 배터리.
- 제1항 내지 제20항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 중간 단면 면적들 MLA1, MLA2, MLC1 및 MLC2는 상기 애노드 및 캐소드 구조체 집단 서브세트들에 대해 적어도 5개의 세로 평면들에서 측정되는 바와 같은 중간 단면 면적들인 2차 배터리.
- 제1항 내지 제21항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 중간 단면 면적들 MLA1, MLA2, MLC1 및 MLC2는 상기 애노드 및 캐소드 구조체 집단 서브세트들에 대해 적어도 10개의 세로 평면들에서 측정되는 바와 같은 중간 단면 면적들인 2차 배터리.
- 제1항 내지 제22항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 중간 단면 면적들 MLA1, MLA2, MLC1 및 MLC2은 상기 멤버들의 길이 L의 적어도 약 10%만큼 서로 떨어져 이격되는 적어도 2개의 세로 평면들에서 측정되는 바와 같은 상기 애노드 및 캐소드 구조체 집단 서브세트들에 대한 중간 단면 면적들인 2차 배터리.
- 제1항 내지 제23항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 중간 단면 면적들 MLA1, MLA2, MLC1 및 MLC2은 상기 멤버들의 길이 L의 적어도 약 15%만큼 서로 떨어져 이격되는 적어도 2개의 세로 평면들에서 측정되는 바와 같은 상기 애노드 및 캐소드 구조체 집단 서브세트들에 대한 중간 단면 면적들인 2차 배터리.
- 제1항 내지 제24항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 중간 단면 면적들 MLA1, MLA2, MLC1 및 MLC2은 상기 멤버들의 길이 L의 적어도 약 20%만큼 서로 떨어져 이격되는 적어도 2개의 세로 평면들에서 측정되는 바와 같은 상기 애노드 및 캐소드 구조체 집단 서브세트들에 대한 중간 단면 면적들인 2차 배터리.
- 제1항 내지 제25항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 중간 단면 면적들 MLA1, MLA2, MLC1 및 MLC2는 상기 멤버들의 길이 L의 적어도 약 50%만큼 서로 떨어져 이격되는 적어도 2개의 세로 평면들에서 측정되는 바와 같은 상기 애노드 및 캐소드 구조체 집단 서브세트들에 대한 중간 단면 면적들인 2차 배터리.
- 제1항 내지 제26항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 중간 단면 면적들 MLA1, MLA2, MLC1 및 MLC2은 상기 멤버들의 길이 L의 적어도 약 75%만큼 서로 떨어져 이격되는 적어도 2개의 세로 평면들에서 측정되는 바와 같은 상기 애노드 및 캐소드 구조체 집단 서브세트들에 대한 중간 단면 면적들인 2차 배터리.
- 제1항 내지 제27항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 C1은 2X102 μm2 내지 3X107 μm2의 범위에 있는 2차 배터리.
- 제1항 내지 제28항 중 어느 한 항에 있어서, C1은 2.5X102 μm2 내지 9.5X106 μm2의 범위에 있는 2차 배터리.
- 제1항 내지 제29항 중 어느 한 항에 있어서, C2는 1.0X103 μm2 내지 1.0X107 μm2의 범위에 있는 2차 배터리.
- 제1항 내지 제30항 중 어느 한 항에 있어서, C2는 1.01X102 μm2 내지 1.5X10 10 μm2의 범위에 있는 2차 배터리.
- 제1항 내지 제31항 중 어느 한 항에 있어서, A1은 100 μm2 내지 1.5X107 μm2의 범위에 있는 2차 배터리.
- 제1항 내지 제32항 중 어느 한 항에 있어서, A1은 4.5X103 μm2 내지 7.6X106 μm2의 범위에 있는 2차 배터리.
- 제1항 내지 제33항 중 어느 한 항에 있어서, A2는 500 μm2 내지 3X107 μm2의 범위에 있는 2차 배터리.
- 제1항 내지 제34항 중 어느 한 항에 있어서, A2는 1.5X103 μm2 내지 7.5X106 μm2의 범위에 있는 2차 배터리.
- 제1항 내지 제35항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 C2 대 C1의 비율은 적어도 1.05:1인 2차 배터리.
- 제1항 내지 제36항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 C2 대 C1의 비율은 적어도 1.1:1인 2차 배터리.
- 제1항 내지 제37항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 C2 대 C1의 비율은 적어도 1.3:1인 2차 배터리.
- 제1항 내지 제38항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 C2 대 C1의 비율은 적어도 2:1인 2차 배터리.
- 제1항 내지 제39항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 C2 대 C1의 비율은 적어도 3:1인 2차 배터리.
- 제1항 내지 제40항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 C2 대 C1의 비율은 적어도 4:1인 2차 배터리.
- 제1항 내지 제41항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 C2 대 C1의 비율은 적어도 6:1인 2차 배터리.
- 제1항 내지 제42항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 A1 대 A2의 비율은 적어도 1.01:1인 2차 배터리.
- 제1항 내지 제43항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 A1 대 A2의 비율은 적어도 1.05:1인 2차 배터리.
- 제1항 내지 제44항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 A1 대 A2의 비율은 적어도 1.5:1인 2차 배터리.
- 제1항 내지 제45항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 A1 대 A2의 비율은 적어도 2:1인 2차 배터리.
- 제1항 내지 제46항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 A1 대 A2의 비율은 적어도 3:1인 2차 배터리.
- 제1항 내지 제47항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 A1 대 A2의 비율은 적어도 4:1인 2차 배터리.
- 제1항 내지 제48항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 A1 대 A2의 비율은 적어도 5:1인 2차 배터리.
- 제2항 내지 제49항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 애노드 구조체들의 집단의 서브세트의 상기 제1 중간 단면 면적 MAA1은 100 μm2 내지 1.5X107 μm2의 범위에 있고, 상기 애노드 구조체들의 집단의 서브세트의 상기 제2 중간 단면 면적 MAA2는 500 μm2 내지 3X107 μm2의 범위에 있는 2차 배터리.
- 제2항 내지 제50항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 애노드 구조체들의 집단의 서브세트의 상기 제1 중간 단면 면적 MAA1은 4.7X103 μm2 내지 6.8X106 μm2의 범위에 있고, 상기 애노드 구조체들의 집단의 서브세트의 상기 제2 중간 단면 면적 MAA2는 1.6X103 μm2 내지 7.1X106 μm2의 범위에 있는 2차 배터리.
- 제2항 내지 제51항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 캐소드 구조체들의 집단의 서브세트의 상기 제2 중간 단면 면적 MAC2는 1.01X102 μm2 내지 1.5X1010 μm2의 범위에 있고, 상기 캐소드 구조체들의 집단의 상기 제1 중간 단면 MAC1은 1X102 μm2 내지 3X107 μm2의 범위에 있는 2차 배터리.
- 제2항 내지 제52항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 캐소드 구조체들의 집단의 서브세트의 상기 제2 중간 단면 면적 MAC2는 1.05X103 μm2 내지 9.5X106 μm2의 범위에 있고, 상기 캐소드 구조체들의 집단의 서브세트의 상기 제1 중간 단면 MAC1은 2.6X102 μm2 내지 9.03X106 μm2의 범위에 있는 2차 배터리.
- 제2항 내지 제53항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 애노드 구조체들의 집단의 서브세트의 상기 제1 중간 단면 면적 MAA1 대 상기 애노드 구조체들의 집단의 서브세트의 상기 제2 중간 단면 면적 MAA2의 비율은 적어도 1.01:1인 2차 배터리.
- 제2항 내지 제54항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 애노드 구조체들의 집단의 서브세트의 상기 제1 중간 단면 면적 MAA1 대 상기 애노드 구조체들의 집단의 서브세트의 상기 제2 중간 단면 면적 MAA2의 비율은 적어도 1.05:1인 2차 배터리.
- 제2항 내지 제55항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 애노드 구조체들의 집단의 서브세트의 상기 제1 중간 단면 면적 MAA1 대 상기 애노드 구조체들의 집단의 서브세트의 상기 제2 중간 단면 면적 MAA2의 비율은 적어도 1.5:1인 2차 배터리.
- 제2항 내지 제56항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 애노드 구조체들의 집단의 서브세트의 상기 제1 중간 단면 면적 MAA1 대 상기 애노드 구조체들의 집단의 서브세트의 상기 제2 중간 단면 면적 MAA2의 비율은 적어도 3:1인 2차 배터리.
- 제2항 내지 제57항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 애노드 구조체들의 집단의 서브세트의 상기 제1 중간 단면 면적 MAA1 대 상기 애노드 구조체들의 집단의 서브세트의 상기 제2 중간 단면 면적 MAA2의 비율은 적어도 4:1인 2차 배터리.
- 제2항 내지 제58항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 애노드 구조체들의 집단의 서브세트의 상기 제1 중간 단면 면적 MAA1 대 상기 애노드 구조체들의 집단의 서브세트의 상기 제2 중간 단면 면적 MAA2의 비율은 적어도 5:1인 2차 배터리.
- 제2항 내지 제59항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 캐소드 구조체들의 집단의 서브세트의 상기 제2 중간 단면 면적 MAC2 대 상기 캐소드 구조체들의 집단의 서브세트의 상기 제1 중간 단면 MAC1의 비율은 적어도 1.05:1인 2차 배터리.
- 제2항 내지 제60항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 캐소드 구조체들의 집단의 서브세트의 상기 제2 중간 단면 면적 MAC2 대 상기 캐소드 구조체들의 집단의 서브세트의 상기 제1 중간 단면 MAC1의 비율은 적어도 1.1:1인 2차 배터리.
- 제2항 내지 제61항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 캐소드 구조체들의 집단의 서브세트의 상기 제2 중간 단면 면적 MAC2 대 상기 캐소드 구조체들의 집단의 서브세트의 상기 제1 중간 단면 MAC1의 비율은 적어도 1.3:1인 2차 배터리.
- 제2항 내지 제62항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 캐소드 구조체들의 집단의 서브세트의 상기 제2 중간 단면 면적 MAC2 대 상기 캐소드 구조체들의 집단의 서브세트의 상기 제1 중간 단면 MAC1의 비율은 적어도 2:1인 2차 배터리.
- 제2항 내지 제63항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 캐소드 구조체들의 집단의 서브세트의 상기 제2 중간 단면 면적 MAC2 대 상기 캐소드 구조체들의 집단의 서브세트의 상기 제1 중간 단면 MAC1의 비율은 적어도 3:1인 2차 배터리.
- 제2항 내지 제64항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 캐소드 구조체들의 집단의 서브세트의 상기 제2 중간 단면 면적 MAC2 대 상기 캐소드 구조체들의 집단의 서브세트의 상기 제1 중간 단면 MAC1의 비율은 적어도 4:1인 2차 배터리.
- 제2항 내지 제65항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 캐소드 구조체들의 집단의 서브세트의 상기 제2 중간 단면 면적 MAC2 대 상기 캐소드 구조체들의 집단의 서브세트의 상기 제1 중간 단면 MAC1의 비율은 적어도 6:1인 2차 배터리.
- 제19항 내지 제66항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 애노드 구조체들의 집단의 서브세트의 상기 제1 중간 단면 면적 MLA1은 100 μm2 내지 1.5X107 μm2의 범위에 있고, 상기 애노드 구조체들의 집단의 서브세트의 상기 제2 중간 단면 면적 MLA2는 500 μm2 내지 3X107 μm2의 범위에 있는 2차 배터리.
- 제19항 내지 제67항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 애노드 구조체들의 집단의 서브세트의 상기 제1 중간 단면 면적 MLA1은 4.7X103 μm2 내지 6.8X106 μm2의 범위에 있고, 상기 애노드 구조체들의 집단의 서브세트의 상기 제2 중간 단면 면적 MLA2는 1.6X103 μm2 내지 7.1X106 μm2의 범위에 있는 2차 배터리.
- 제19항 내지 제68항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 캐소드 구조체들의 집단의 서브세트의 상기 제2 중간 단면 면적 MLC2는 1.01X102 μm2 내지 1.5X1010 μm2의 범위에 있고, 상기 캐소드 구조체들의 집단의 상기 제1 중간 단면 MLC1은 1X102 μm2 내지 3X107 μm2의 범위에 있는 2차 배터리.
- 제19항 내지 제69항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 캐소드 구조체들의 집단의 서브세트의 상기 제2 중간 단면 면적 MLC2는 1.05X103 μm2 내지 9.5X106 μm2의 범위에 있고, 상기 캐소드 구조체들의 집단의 상기 제1 중간 단면 MLC1은 2.6X102 μm2 내지 9.03X106 μm2의 범위에 있는 2차 배터리.
- 제19항 내지 제70항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 애노드 구조체들의 집단의 서브세트의 상기 제1 중간 단면 면적 MLA1 대 상기 애노드 구조체들의 집단의 상기 제2 중간 단면 면적 MLA2의 비율은 적어도 1.01:1인 2차 배터리.
- 제19항 내지 제71항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 애노드 구조체들의 집단의 서브세트의 상기 제1 중간 단면 면적 MLA1 대 상기 애노드 구조체들의 집단의 상기 제2 중간 단면 면적 MLA2의 비율은 적어도 1.05:1인 2차 배터리.
- 제19항 내지 제72항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 애노드 구조체들의 집단의 서브세트의 상기 제1 중간 단면 면적 MLA1 대 상기 애노드 구조체들의 집단의 상기 제2 중간 단면 면적 MLA2의 비율은 적어도 1.5:1인 2차 배터리.
- 제19항 내지 제73항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 애노드 구조체들의 집단의 서브세트의 상기 제1 중간 단면 면적 MLA1 대 상기 애노드 구조체들의 집단의 상기 제2 중간 단면 면적 MLA2의 비율은 적어도 2:1인 2차 배터리.
- 제19항 내지 제74항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 애노드 구조체들의 집단의 서브세트의 상기 제1 중간 단면 면적 MLA1 대 상기 애노드 구조체들의 집단의 상기 제2 중간 단면 면적 MLA2의 비율은 적어도 3:1인 2차 배터리.
- 제19항 내지 제75항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 애노드 구조체들의 집단의 서브세트의 상기 제1 중간 단면 면적 MLA1 대 상기 애노드 구조체들의 집단의 상기 제2 중간 단면 면적 MLA2의 비율은 적어도 4:1인 2차 배터리.
- 제19항 내지 제76항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 애노드 구조체들의 집단의 서브세트의 상기 제1 중간 단면 면적 MLA1 대 상기 애노드 구조체들의 집단의 상기 제2 중간 단면 면적 MLA2의 비율은 적어도 5:1인 2차 배터리.
- 제19항 내지 제77항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 캐소드 구조체들의 집단의 서브세트의 상기 제2 중간 단면 면적 MLC2 대 상기 캐소드 구조체들의 집단의 서브세트의 상기 제1 중간 단면 면적 MLC1의 비율은 적어도 1.1:1인 2차 배터리.
- 제19항 내지 제78항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 캐소드 구조체들의 집단의 서브세트의 상기 제2 중간 단면 면적 MLC2 대 상기 캐소드 구조체들의 집단의 서브세트의 상기 제1 중간 단면 면적 MLC1의 비율은 적어도 1.3:1인 2차 배터리.
- 제19항 내지 제79항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 캐소드 구조체들의 집단의 서브세트의 상기 제2 중간 단면 면적 MLC2 대 상기 캐소드 구조체들의 집단의 서브세트의 상기 제1 중간 단면 면적 MLC1의 비율은 적어도 2:1인 2차 배터리.
- 제19항 내지 제80항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 캐소드 구조체들의 집단의 서브세트의 상기 제2 중간 단면 면적 MLC2 대 상기 캐소드 구조체들의 집단의 서브세트의 상기 제1 중간 단면 면적 MLC1의 비율은 적어도 3:1인 2차 배터리.
- 제19항 내지 제81항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 캐소드 구조체들의 집단의 서브세트의 상기 제2 중간 단면 면적 MLC2 대 상기 캐소드 구조체들의 집단의 서브세트의 상기 제1 중간 단면 면적 MLC1의 비율은 적어도 4:1인 2차 배터리.
- 제19항 내지 제82항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 캐소드 구조체들의 집단의 서브세트의 상기 제2 중간 단면 면적 MLC2 대 상기 캐소드 구조체들의 집단의 서브세트의 상기 제1 중간 단면 면적 MLC1의 비율은 적어도 6:1인 2차 배터리.
- 제19항 내지 제83항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 애노드 구조체 집단의 멤버의 서브세트는, 상기 2차 배터리가 충전 상태에 있을 때, 적어도 2개의 멤버들을 갖는 서브세트에 대해, 상기 서브세트의 각각의 멤버에 대해 상기 세로 방향에 평행한 복수의 세로 평면들에서 측정되는 바와 같은 상기 단면 면적들의 중간인 제1 중간 단면 면적 MOA1을 갖고, 상기 2차 배터리가 방전 상태에 있을 때, 적어도 2개의 멤버들을 갖는 서브세트에 대해, 상기 서브세트의 각각의 멤버에 대해 상기 세로 방향에 평행한 복수의 세로 평면들에서 측정되는 바와 같은 상기 단면 면적들의 중간인 제2 중간 단면 면적 MOA2를 갖고,
상기 캐소드 구조체 집단의 멤버의 서브세트는, 상기 2차 배터리가 충전 상태에 있을 때, 적어도 2개의 멤버들을 갖는 서브세트에 대해, 상기 서브세트의 각각의 멤버에 대해 상기 세로 방향에 평행한 복수의 세로 평면들에서 측정되는 바와 같은 상기 단면 면적들의 중간인 제1 중간 단면 면적 MOC1을 갖고, 상기 2차 배터리가 방전 상태에 있을 때, 적어도 2개의 멤버들을 갖는 서브세트에 대해, 상기 서브세트의 각각의 멤버에 대해 상기 세로 방향에 평행한 복수의 세로 평면들에서 측정되는 바와 같은 상기 단면 면적들의 중간인 제2 중간 단면 면적 MOC2를 갖고,
MOA1은 MOA2 초과이고, MOC1은 MOC2 미만인 2차 배터리. - 제84항에 있어서, 상기 애노드 구조체들의 집단의 서브세트의 상기 제1 중간 단면 면적 MOA1은 100 μm2 내지 1.5X107 μm2의 범위에 있고, 상기 애노드 구조체들의 집단의 서브세트의 상기 제2 중간 단면 면적 MOA2는 500 μm2 내지 3X107 μm2의 범위에 있는 2차 배터리.
- 제84항 내지 제85항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 애노드 구조체들의 집단의 서브세트의 상기 제1 중간 단면 면적 MOA1은 4.7X103 μm2 내지 6.8X106 μm2의 범위에 있고, 상기 애노드 구조체들의 집단의 서브세트의 상기 제2 중간 단면 면적 MOA2는 1.6X103 μm2 내지 7.1X106 μm2의 범위에 있는 2차 배터리.
- 제84항 내지 제86항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 캐소드 구조체들의 집단의 서브세트의 상기 제2 중간 단면 면적 MOC2는 1.01X102 μm2 to 1.5X1010 μm2의 범위에 있고, 상기 캐소드 구조체들의 집단의 상기 제1 중간 단면 MOC1은 1X102 μm2 내지 3X107 μm2의 범위에 있는 2차 배터리.
- 제84항 내지 제87항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 캐소드 구조체들의 집단의 서브세트의 상기 제2 중간 단면 면적 MOC2는 1.05X103 μm2 내지 9.5X106 μm2의 범위에 있고, 상기 캐소드 구조체들의 집단의 상기 제1 중간 단면 MOC1은 2.6X102 μm2 내지 9.03X106 μm2의 범위에 있는 2차 배터리.
- 제84항 내지 제88항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 애노드 구조체들의 집단의 서브세트의 상기 제1 중간 단면 면적 MOA1 대 상기 애노드 구조체들의 집단의 상기 제2 중간 단면 면적 MOA2의 비율은 적어도 1.01:1인 2차 배터리.
- 제84항 내지 제89항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 애노드 구조체들의 집단의 서브세트의 상기 제1 중간 단면 면적 MOA1 대 상기 애노드 구조체들의 집단의 상기 제2 중간 단면 면적 MOA2의 비율은 적어도 1.05:1인 2차 배터리.
- 제84항 내지 제90항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 애노드 구조체들의 집단의 서브세트의 상기 제1 중간 단면 면적 MOA1 대 상기 애노드 구조체들의 집단의 상기 제2 중간 단면 면적 MOA2의 비율은 적어도 1.5:1인 2차 배터리.
- 제84항 내지 제91항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 애노드 구조체들의 집단의 서브세트의 상기 제1 중간 단면 면적 MOA1 대 상기 애노드 구조체들의 집단의 상기 제2 중간 단면 면적 MOA2의 비율은 적어도 2:1인 2차 배터리.
- 제84항 내지 제92항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 애노드 구조체들의 집단의 서브세트의 상기 제1 중간 단면 면적 MOA1 대 상기 애노드 구조체들의 집단의 상기 제2 중간 단면 면적 MOA2의 비율은 적어도 3:1인 2차 배터리.
- 제84항 내지 제93항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 애노드 구조체들의 집단의 서브세트의 상기 제1 중간 단면 면적 MOA1 대 상기 애노드 구조체들의 집단의 상기 제2 중간 단면 면적 MOA2의 비율은 적어도 4:1인 2차 배터리.
- 제84항 내지 제94항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 애노드 구조체들의 집단의 서브세트의 상기 제1 중간 단면 면적 MOA1 대 상기 애노드 구조체들의 집단의 상기 제2 중간 단면 면적 MOA2의 비율은 적어도 5:1인 2차 배터리.
- 제84항 내지 제95항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 캐소드 구조체들의 집단의 서브세트의 상기 제2 중간 단면 면적 MOC2 대 상기 캐소드 구조체들의 집단의 서브세트의 상기 제1 중간 단면 MOC1의 비율은 적어도 1.05:1인 2차 배터리.
- 제84항 내지 제96항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 캐소드 구조체들의 집단의 서브세트의 상기 제2 중간 단면 면적 MOC2 대 상기 캐소드 구조체들의 집단의 서브세트의 상기 제1 중간 단면 MOC1의 비율은 적어도 1.1:1인 2차 배터리.
- 제84항 내지 제97항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 캐소드 구조체들의 집단의 서브세트의 상기 제2 중간 단면 면적 MOC2 대 상기 캐소드 구조체들의 집단의 서브세트의 상기 제1 중간 단면 MOC1의 비율은 적어도 1.3:1인 2차 배터리.
- 제84항 내지 제98항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 캐소드 구조체들의 집단의 서브세트의 상기 제2 중간 단면 면적 MOC2 대 상기 캐소드 구조체들의 집단의 서브세트의 상기 제1 중간 단면 MOC1의 비율은 적어도 2:1인 2차 배터리.
- 제84항 내지 제99항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 캐소드 구조체들의 집단의 서브세트의 상기 제2 중간 단면 면적 MOC2 대 상기 캐소드 구조체들의 집단의 서브세트의 상기 제1 중간 단면 MOC1의 비율은 적어도 3:1인 2차 배터리.
- 제84항 내지 제100항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 캐소드 구조체들의 집단의 서브세트의 상기 제2 중간 단면 면적 MOC2 대 상기 캐소드 구조체들의 집단의 서브세트의 상기 제1 중간 단면 MOC1의 비율은 적어도 4:1인 2차 배터리.
- 제84항 내지 제101항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 캐소드 구조체들의 집단의 서브세트의 상기 제2 중간 단면 면적 MOC2 대 상기 캐소드 구조체들의 집단의 서브세트의 상기 제1 중간 단면 MOC1의 비율은 적어도 6:1인 2차 배터리.
- 제1항 내지 제102항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 애노드 구조체들의 집단의 멤버들은 상기 2차 배터리가 충전 상태에 있을 때 제1 폭 WA1을 갖고, 상기 2차 배터리가 방전 상태에 있을 때 제2 폭 WA2를 갖고, 상기 캐소드 구조체들의 집단의 멤버들은 상기 2차 배터리가 충전 상태에 있을 때 제1 폭 WC1을 갖고, 상기 2차 배터리가 방전 상태에 있을 때 제2 폭 WC2을 갖고, WA1는 애노드 구조체 집단의 서브세트에 대해 WA2 초과이고, WC1은 캐소드 구조체 집단의 서브세트에 대해 WC2 미만이고, 폭들 WA1, WA2, WC1 및 WC2는 상기 세로 방향으로 측정되는 2차 배터리.
- 제103항에 있어서, 상기 폭들은 직교 X-Y 평면에 의한 상기 세로 평면의 양분에 의해 형성되는 라인에서 측정되고, 상기 Y 축은 상기 세로 방향에 평행하고, 상기 X 축은 상기 애노드 및 캐소드 구조체 집단들의 멤버들의 길이 LA 및 LC의 방향에 평행한 2차 배터리.
- 제103항 또는 제104항에 있어서, 상기 XY 평면은 상기 캐소드 구조체들의 높이 H의 중간 지점에 위치되고, 상기 높이는 상기 애노드 및 캐소드 구조체 집단들의 멤버들의 길이들 LA 및 LC의 방향 및 상기 세로 방향 양자 모두에 직교하는 방향으로 측정되는 2차 배터리.
- 제103항에 있어서, 상기 XY 평면은 상기 캐소드 구조체들의 총 높이 H의 25% 내지 75%의 어딘가에 있는 상기 캐소드 구조체들의 높이를 따르는 위치에 위치되고, 상기 높이는 상기 애노드 및 캐소드 구조체 집단들의 멤버들의 길이들 LA 및 LC의 방향 및 상기 세로 방향 양자 모두에 직교하는 방향으로 측정되는 2차 배터리.
- 제103항 내지 제106항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 제1 폭 WA1은 50 μm 내지 2000 μm의 범위에 있고, 상기 제2 폭 WA2는 15 μm 내지 2500 μm의 범위에 있는 2차 배터리.
- 제103항 내지 제107항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 제1 폭 WA1은 90 μm 내지 1520 μm의 범위에 있고, 상기 제2 폭 WA2는 30 μm 내지 1500 μm의 범위에 있는 2차 배터리.
- 제103항 내지 제108항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 제1 폭 WC1은 2μm 내지 5000 μm의 범위에 있고, 상기 제2 폭 WC2는 5 μm 내지 5000 μm의 범위에 있는 2차 배터리.
- 제103항 내지 제109항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 제1 폭 WC1은 5 μm 내지 1900 μm의 범위에 있고, 상기 제2 폭 WC2는 20 μm 내지 2000 μm의 범위에 있는 2차 배터리.
- 제103항 내지 제110항 중 어느 한 항에 있어서, WA1 대 WA2의 비율은 적어도 1.01:1인 2차 배터리.
- 제103항 내지 제111항 중 어느 한 항에 있어서, WA1 대 WA2의 비율은 적어도 1.05:1인 2차 배터리.
- 제103항 내지 제112항 중 어느 한 항에 있어서, WA1 대 WA2의 비율은 적어도 1.5:1인 2차 배터리.
- 제103항 내지 제113항 중 어느 한 항에 있어서, WA1 대 WA2의 비율은 적어도 2:1인 2차 배터리.
- 제103항 내지 제114항 중 어느 한 항에 있어서, WA1 대 WA2의 비율은 적어도 3:1인 2차 배터리.
- 제103항 내지 제115항 중 어느 한 항에 있어서, WA1 대 WA2의 비율은 적어도 4:1인 2차 배터리.
- 제103항 내지 제116항 중 어느 한 항에 있어서, WA1 대 WA2의 비율은 적어도 5:1인 2차 배터리.
- 제103항 내지 제117항 중 어느 한 항에 있어서, WC2 대 WC1의 비율은 적어도 1.1:1인 2차 배터리.
- 제103항 내지 제118항 중 어느 한 항에 있어서, WC2 대 WC1의 비율은 적어도 1.3:1인 2차 배터리.
- 제103항 내지 제119항 중 어느 한 항에 있어서, WC2 대 WC1의 비율은 적어도 2:1인 2차 배터리.
- 제103항 내지 제120항 중 어느 한 항에 있어서, WC2 대 WC1의 비율은 적어도 3:1인 2차 배터리.
- 제103항 내지 제121항 중 어느 한 항에 있어서, WC2 대 WC1의 비율은 적어도 4:1인 2차 배터리.
- 제103항 내지 제122항 중 어느 한 항에 있어서, WC2 대 WC1의 비율은 적어도 6:1인 2차 배터리.
- 제1항 내지 제123항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 캐소드 구조체들의 집단의 멤버들은 다공성인 캐소드 활성 재료의 층을 포함하고, 상기 캐소드 활성 재료의 층은 상기 2차 배터리가 충전 상태에 있을 때 제1 다공률 P1을 갖고, 상기 2차 배터리가 방전 상태에 있을 때 제2 다공률 P2를 갖고, 상기 제1 다공률 P1은 상기 제2 다공률 P2 미만인 2차 배터리.
- 제124항에 있어서, 상기 제1 다공률 P1은 30% 이하이고, 상기 제2 다공률 P2는 적어도 약 50%인 2차 배터리.
- 제124항 또는 제125항에 있어서, 상기 제1 다공률 P1은 20% 이하이고, 상기 제2 다공률 P2는 적어도 약 60%인 2차 배터리.
- 제124항 내지 제126항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 제1 다공률 P1은 10% 이하이고, 상기 제2 다공률 P2는 적어도 약 70%인 2차 배터리.
- 제124항 내지 제127항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 제2 다공률 P2 대 상기 제1 다공률 P1의 비율은 적어도 1.1:1인 2차 배터리.
- 제124항 내지 제128항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 제2 다공률 P2 대 상기 제1 다공률 P1의 비율은 적어도 1.5:1인 2차 배터리.
- 제124항 내지 제129항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 제2 다공률 P2 대 상기 제1 다공률 P1의 비율은 적어도 2:1인 2차 배터리.
- 제124항 내지 제130항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 제2 다공률 P2 대 상기 제1 다공률 P1의 비율은 적어도 5:1인 2차 배터리.
- 제1항 내지 제131항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 2차 배터리는 0.1C에서 적어도 5 mA·h/cm2의 면적 용량을 갖는 2차 배터리.
- 제1항 내지 제132항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 2차 배터리는 0.1C에서 적어도 8 mA·h/cm2의 면적 용량을 갖는 2차 배터리.
- 제1항 내지 제133항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 2차 배터리는 0.1C에서 적어도 10 mA·h/cm2의 면적 용량을 갖는 2차 배터리.
- 제1항 내지 제134항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 2차 배터리는 0.1C에서 적어도 15 mA·h/cm2의 면적 용량을 갖는 2차 배터리.
- 제1항 내지 제135항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 2차 배터리는 0.1C에서 적어도 20 mA·h/cm2의 면적 용량을 갖는 2차 배터리.
- 제1항 내지 제136항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 2차 배터리는 0.1C에서 적어도 25 mA·h/cm2의 면적 용량을 갖는 2차 배터리.
- 제132항 내지 제137항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 2차 배터리는 적어도 75%의 1C:C/10의 레이트 능력을 갖는 2차 배터리.
- 제132항 내지 제138항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 2차 배터리는 적어도 80%의 1C:C/10의 레이트 능력을 갖는 2차 배터리.
- 제132항 내지 제139항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 2차 배터리는 적어도 95%의 1C:C/10의 레이트 능력을 갖는 2차 배터리.
- 제1항 내지 제140항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 캐소드 구조체의 집단의 멤버들은 매트릭스에 분산되는 입자들을 갖는 캐소드 활성 재료의 층을 포함하는 2차 배터리.
- 제138항에 있어서, 상기 캐소드 활성 재료 층은, 폴리머 재료를 포함하는 매트릭스에 분산되는, 전이 금속 산화물들, 전이 금속 황화물들, 전이 금속 질화물들, 리튬 전이 금속 산화물들, 리튬 전이 금속 황화물들, 및 리튬 전이 금속 질화물들 중 하나로 구성되는 그룹으로부터 선택되는 캐소드 활성 재료의 입자들을 포함하는 2차 배터리.
- 제141항 또는 제142항에 있어서, 상기 캐소드 활성 재료 층은 상기 캐소드 활성 재료가 산재되는 필러 입자들을 추가로 포함하고, 상기 필러 입자들은 탄소 입자들 및 폴리머 함유 비드들 중 적어도 하나를 포함하는 2차 배터리.
- 제1항 내지 제143항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 미세다공성 분리기 재료는 폴리머 매트릭스에 산재되는 절연 입자들을 갖는 가요성 멤브레인을 포함하는 2차 배터리.
- 제1항 내지 제144항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 캐소드 구조체들의 집단의 멤버들은 100의 psi에서 단면 면적 C에서의 적어도 5% 감소를 나타내는 2차 배터리.
- 제1항 내지 제145항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 캐소드 구조체들의 집단의 멤버들은 100의 psi에서 단면 면적에서의 적어도 25%의 감소를 나타내는 2차 배터리.
- 제1항 내지 제146항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 캐소드 구조체들의 집단의 멤버들은 100의 psi에서 단면 면적에서의 적어도 50% 감소를 나타내는 2차 배터리.
- 제1항 내지 제147항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 캐소드 구조체들의 집단의 멤버들은 100의 psi에서 단면 면적에서의 적어도 75% 감소를 나타내는 2차 배터리.
- 제1항 내지 제148항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 전극 제약들의 세트는,
제1 및 제2 1차 성장 제약들 및 적어도 하나의 1차 접속 멤버를 포함하는 1차 제약 시스템- 상기 제1 및 제2 1차 성장 제약들은 상기 세로 방향으로 서로 분리되고 상기 적어도 하나의 1차 접속 멤버는 상기 제1 및 제2 1차 성장 제약들을 접속함 -을 포함하고, 상기 1차 제약 시스템은 상기 2차 배터리의 사이클링 시에 상기 세로 방향으로의 상기 전극 어셈블리의 성장을 적어도 부분적으로 저지하는 2차 배터리. - 제149항에 있어서, 상기 1차 제약 시스템은, 상기 2차 배터리의 20개의 연속적인 사이클들에 걸쳐 상기 세로 방향으로의 상기 전극 어셈블리의 페렛 직경(Feret diameter)에서의 임의의 증가가 20% 미만이도록, 상기 세로 방향으로의 상기 전극 어셈블리의 성장을 저지하는 2차 배터리.
- 제149항 또는 제150항에 있어서, 상기 1차 제약 시스템은, 상기 2차 배터리의 50개의 연속적인 사이클들에 걸쳐 상기 세로 방향으로의 상기 전극 어셈블리의 페렛 직경에서의 임의의 증가가 20% 미만이도록, 상기 세로 방향으로의 상기 전극 어셈블리의 성장을 저지하는 2차 배터리.
- 제149항 내지 제151항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 1차 제약 시스템은, 상기 2차 배터리의 100개의 연속적인 사이클들에 걸쳐 상기 세로 방향으로의 상기 전극 어셈블리의 페렛 직경에서의 임의의 증가가 20% 미만이도록, 상기 세로 방향으로의 상기 전극 어셈블리의 성장을 저지하는 2차 배터리.
- 제149항 내지 제152항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 1차 제약 시스템은, 상기 2차 배터리의 1000개의 연속적인 사이클들에 걸쳐 상기 세로 방향으로의 상기 전극 어셈블리의 페렛 직경에서의 임의의 증가가 20% 미만이도록, 상기 세로 방향으로의 상기 전극 어셈블리의 성장을 저지하는 2차 배터리.
- 제149항 내지 제153항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 1차 제약 시스템은, 상기 2차 배터리의 20개의 연속적인 사이클들에 걸쳐 상기 세로 방향으로의 상기 전극 어셈블리의 페렛 직경에서의 임의의 증가가 5% 미만이도록, 상기 세로 방향으로의 상기 전극 어셈블리의 성장을 저지하는 2차 배터리.
- 제1항 내지 제154항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 전극 제약들의 세트는,
제2 방향으로 분리되고 적어도 하나의 2차 접속 멤버에 의해 접속되는 제1 및 제2 2차 성장 제약들을 포함하는 2차 제약 시스템을 추가로 포함하고, 상기 2차 제약 시스템은 상기 2차 배터리의 사이클링 시에 제2 방향으로의 상기 전극 어셈블리의 성장을 적어도 부분적으로 저지하고, 상기 제2 방향은 상기 세로 방향에 직교하는 2차 배터리. - 제155항에 있어서, 상기 2차 성장 제약 시스템은 상기 2차 배터리의 반복 사이클링 시에 20개의 연속적인 사이클들에 걸쳐 상기 제2 방향으로의 상기 전극 어셈블리의 페렛 직경에서의 임의의 증가가 20% 미만이도록 상기 제2 방향으로의 상기 전극 어셈블리의 성장을 저지하는 2차 배터리.
- 제155항 또는 제156항에 있어서, 상기 2차 성장 제약 시스템은 상기 2차 배터리의 10개의 연속적인 사이클들에 걸쳐 상기 제2 방향으로의 상기 전극 어셈블리의 페렛 직경에서의 임의의 증가가 10% 미만이도록 상기 제2 방향으로의 상기 전극 어셈블리의 성장을 저지하는 2차 배터리.
- 제155항 또는 제157항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 2차 성장 제약 시스템은 상기 2차 배터리의 5개의 연속적인 사이클들에 걸쳐 상기 제2 방향으로의 상기 전극 어셈블리의 페렛 직경에서의 임의의 증가가 5% 미만이도록 상기 제2 방향으로의 상기 전극 어셈블리의 성장을 저지하는 2차 배터리.
- 충전 상태와 방전 상태 사이에 사이클링하기 위한 2차 배터리의 형성의 방법으로서, 상기 2차 배터리는 배터리 인클로저, 전극 어셈블리, 캐리어 이온들, 및 상기 배터리 인클로저 내의 비-수성 액체 전해질을 포함하고, 상기 전극 어셈블리는 애노드 구조체들의 집단, 캐소드 구조체들의 집단, 및 상기 애노드 및 캐소드 구조체 집단들의 멤버들을 전기적으로 분리하는 전기적 절연 미세다공성 분리기 재료를 포함하고, 상기 애노드 및 캐소드 구조체 집단들의 멤버들은 세로 방향으로 교대 시퀀스로 배열되고, 상기 애노드 구조체들의 집단의 멤버들은 상기 2차 배터리의 충전 시에 단면 면적 A에서 팽창되는 애노드 활성 재료 층들을 포함하고, 상기 캐소드 구조체들의 집단의 멤버들은 단면 면적 C를 갖는 압축 가능 캐소드 활성 재료 층들을 포함하고, 상기 단면 면적들은 상기 세로 방향에 평행한 제1 세로 평면에서 측정되고, 상기 방법은,
초기 형성 스테이지에서, 상기 캐소드 구조체 집단의 서브세트의 멤버들의 단면 면적이 상기 초기 형성 스테이지 이전의 초기 단면 면적 Ci로부터 상기 초기 형성 스테이지 이전의 초기 단면 면적 Ci의 95% 미만인 상기 초기 형성 스테이지 이후의 형성 후 단면 면적 Cf로 감소하도록, 상기 애노드 구조체들의 집단의 멤버들에서의 상기 애노드 활성 재료 층들의 단면 면적에서의 팽창이 상기 캐소드 구조체의 집단의 압축 가능 캐소드 활성 재료 층들을 압축하도록 상기 2차 배터리를 충전하는 단계를 포함하는 방법. - 제159항에 있어서, 상기 형성 후 단면 면적 Cf는 상기 초기 단면 면적 Ci의 90% 미만인 방법.
- 제159항 또는 제160항에 있어서, 상기 형성 후 단면 면적 Cf는 상기 초기 단면 면적 Ci의 80% 미만인 방법.
- 제159항 내지 제161항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 형성 후 단면 면적 Cf는 상기 초기 단면 면적 Ci의 70% 미만인 방법.
- 제159항 내지 제162항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 캐소드 구조체들의 집단의 멤버들은 폴리머 재료의 매트릭스 에서의 캐소드 활성 재료의 입자들을 포함하는 압축 가능 캐소드 활성 재료 층을 포함하고, 상기 압축 가능 캐소드 활성 재료 층들은 상기 캐소드 활성 재료 층들에서의 입자들의 제1 체적 %로부터 상기 캐소드 활성 재료 층들에서의 입자들의 제2 체적 %로 압축되고, 상기 제2 체적 %는 상기 제1 체적 %보다 큰 방법.
- 제159항 내지 제163항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 미세다공성 분리기는 폴리머 재료를 포함하는 가요성 멤브레인을 포함하고, 상기 초기 형성 스테이지는 상기 미세다공성 분리기를 상기 캐소드 구조체들의 집단 및 상기 애노드 구조체들의 집단 양자 모두의 멤버들에 적어도 부분적으로 부착하는 압력에서 상기 캐소드 구조체 및 애노드 구조체에 대해 상기 미세다공성 분리기를 압축하는 방법.
- 제159항 내지 제164항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 초기 형성 단계는 적어도 1000 psi의 압력에서 상기 캐소드 구조체 및 애노드 구조체에 대해 상기 미세다공성 분리기를 압축하는 방법.
- 제159항 내지 제165항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 초기 형성 단계는 적어도 3000 psi의 압력에서 상기 캐소드 구조체 및 애노드 구조체에 대해 상기 미세다공성 분리기를 압축하는 방법.
- 제159항 내지 제166항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 초기 형성 단계는 적어도 10,000 psi의 압력에서 상기 캐소드 구조체 및 애노드 구조체에 대해 상기 미세다공성 분리기를 압축하는 방법.
- 충전 상태와 방전 상태 사이에 사이클링하기 위한 2차 배터리의 형성의 방법으로서, 상기 2차 배터리는 배터리 인클로저, 전극 어셈블리, 캐리어 이온들, 및 상기 배터리 인클로저 내의 비-수성 액체 전해질을 포함하고, 상기 전극 어셈블리는 애노드 구조체들의 집단, 캐소드 구조체들의 집단, 및 상기 애노드 및 압축 가능 캐소드 구조체 집단들의 멤버들을 전기적으로 분리하는 전기적 절연 미세다공성 분리기 재료를 포함하고, 상기 애노드 및 캐소드 구조체 집단들의 멤버들은 세로 방향으로 교대 시퀀스로 배열되고, 상기 애노드 구조체들의 집단의 멤버들은 상기 2차 배터리의 충전 시에 단면 면적 A에서 팽창되는 애노드 활성 재료 층들을 포함하고, 상기 캐소드 구조체들의 집단의 멤버들은 단면 면적 C를 갖는 압축 가능 캐소드 활성 재료 층들을 포함하고, 상기 단면 면적들은 상기 세로 방향에 평행한 제1 세로 평면에서 측정되고, 상기 방법은,
초기 형성 단계에서, 상기 애노드 구조체들의 집단의 멤버들에서의 상기 애노드 활성 재료 층들의 팽창이, 상기 미세다공성 분리기들을, 상기 압축 가능 캐소드 활성 재료 층들의 단면 면적 C를 수축시키는, 한편 상기 미세다공성 분리기들을 상기 캐소드 구조체들의 상기 압축 가능 캐소드 활성 재료 층들 및 상기 애노드 구조체들의 상기 애노드 활성 재료 층들에 또한 적어도 부분적으로 부착하는 압력에서 상기 캐소드 구조체들의 상기 압축 가능 캐소드 활성 재료 층들에 대해 압축하도록 상기 2차 배터리를 충전하는 단계를 포함하고;
상기 2차 배터리의 방전 및 상기 애노드 활성 재료 층들의 단면 면적 A에서의 수축 시에, 상기 미세다공성 분리기들의 상기 압축 가능 캐소드 활성 재료 층들 및 상기 애노드 활성 재료 층들로의 상기 적어도 부분적인 부착은 상기 압축 가능 캐소드 활성 재료 층들의 단면 면적 C에서의 팽창을 야기하는 방법. - 충전 상태와 방전 상태 사이에 사이클링하기 위한 2차 배터리로서, 상기 2차 배터리는 배터리 인클로저, 전극 어셈블리, 캐리어 이온들, 및 상기 배터리 인클로저 내의 비-수성 액체 전해질을 포함하고,
상기 전극 어셈블리는 애노드 구조체들의 집단, 캐소드 구조체들의 집단, 및 상기 애노드 및 캐소드 구조체 집단들의 멤버들을 전기적으로 분리하는 전기적 절연 미세다공성 분리기 재료를 포함하고,
상기 전극 어셈블리는 상기 2차 배터리의 사이클링 시에 상기 세로 방향으로의 상기 전극 어셈블리의 성장을 적어도 부분적으로 저지하는 전극 제약들의 세트를 추가로 포함하고,
상기 애노드 구조체들의 집단의 멤버들은 애노드 활성 재료를 포함하고, 상기 애노드 활성 재료는 상기 2차 배터리가 방전 상태로부터 충전 상태로 충전될 때 애노드 활성 재료의 몰 당 1 몰 초과의 캐리어 이온을 수용하는 용량을 갖고,
상기 캐소드 구조체들의 집단의 멤버들은 다공성 캐소드 활성 재료를 포함하고, 상기 방전 상태에서 상기 비-수성 액체 전해질에 의해 점유되는 상기 다공성 캐소드 활성 재료의 체적 V2는 상기 충전 상태에서 상기 비-수성 전해질에 의해 점유되는 상기 다공성 캐소드 활성 재료의 체적 V1 초과이고,
상기 충전 상태는 상기 2차 배터리의 정격 용량(rated capacity)의 적어도 75%이고, 상기 방전 상태는 상기 2차 배터리의 정격 용량의 25% 미만인 2차 배터리. - 제169항에 있어서, 상기 비-수성 액체 전해질에 의해 점유되는 상기 다공성 캐소드 활성 재료의 체적 V2 대 V1의 비율은 적어도 1.1:1인 2차 배터리.
- 제169항 내지 제179항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 비-수성 액체 전해질에 의해 점유되는 상기 다공성 캐소드 활성 재료의 체적 V2 대 V1의 비율은 적어도 1.5:1인 2차 배터리.
- 제169항 내지 제171항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 비-수성 액체 전해질에 의해 점유되는 상기 다공성 캐소드 활성 재료의 체적 V2 대 V1의 비율은 적어도 2:1인 2차 배터리.
- 제169항 내지 제172항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 비-수성 액체 전해질에 의해 점유되는 상기 다공성 캐소드 활성 재료의 체적 V2 대 V1의 비율은 적어도 5:1인 2차 배터리.
- 제169항 내지 제173항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 비-수성 액체 전해질에 의해 점유되는 상기 다공성 캐소드 활성 재료의 체적 V2 대 V1의 비율은 적어도 10:1인 2차 배터리.
- 제169항 내지 제174항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 비-수성 액체 전해질에 의해 점유되는 상기 다공성 캐소드 활성 재료의 체적 V2 대 V1의 비율은 적어도 15:1인 2차 배터리.
- 충전 상태와 방전 상태 사이에 사이클링하기 위한 2차 배터리로서, 상기 2차 배터리는 배터리 인클로저, 전극 어셈블리, 캐리어 이온들, 및 상기 배터리 인클로저 내의 비-수성 액체 전해질을 포함하고,
상기 전극 어셈블리는 애노드 구조체들의 집단, 캐소드 구조체들의 집단, 및 상기 애노드 및 캐소드 구조체 집단들의 멤버들을 전기적으로 분리하는 전기적 절연 미세다공성 분리기 재료를 포함하고,
상기 애노드 구조체들의 집단의 멤버들은 애노드 활성 재료를 포함하고, 상기 캐소드 구조체들의 집단의 멤버들은 캐소드 활성 재료를 포함하고,
상기 캐소드 구조체들의 집단의 멤버들은 0.1C에서의 적어도 5 mA·h/cm2의 면적 용량, 및 충전 상태로부터 방전 상태로의 방전에 대해 적어도 80%의 1C:C/10의 레이트 능력을 갖고,
상기 충전 상태는 상기 2차 배터리의 정격 용량(rated capacity)의 적어도 75%이고, 상기 방전 상태는 상기 2차 배터리의 정격 용량의 25% 미만인 2차 배터리. - 제176항에 있어서, 상기 면적 용량은 0.1C에서 적어도 8 mA·h/cm2인 2차 배터리.
- 제176항 또는 제177항에 있어서, 상기 면적 용량은 0.1C에서 적어도 10 mA·h/cm2인 2차 배터리.
- 제176항 내지 제178항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 면적 용량은 0.1C에서 적어도 15 mA·h/cm2인 2차 배터리.
- 제176항 내지 제179항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 면적 용량은 0.1C에서 적어도 20 mA·h/cm2인 2차 배터리.
- 제176항 내지 제180항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 면적 용량은 0.1C에서 적어도 25 mA·h/cm2인 2차 배터리.
- 제176항 내지 제181항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 2차 배터리는 충전 상태로부터 방전 상태로의 방전에 대해 적어도 90%의 1C:C/10의 레이트 능력을 갖는 2차 배터리.
- 제176항 내지 제182항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 2차 배터리는 충전 상태로부터 방전 상태로의 방전에 대해 적어도 95%의 1C:C/10의 레이트 능력을 갖는 2차 배터리.
- 충전 상태와 방전 상태 사이에 사이클링하기 위한 2차 배터리로서, 상기 2차 배터리는 배터리 인클로저, 전극 어셈블리, 캐리어 이온들, 및 상기 배터리 인클로저 내의 비-수성 액체 전해질을 포함하고,
상기 전극 어셈블리는 애노드 구조체들의 집단, 캐소드 구조체들의 집단, 및 상기 애노드 및 캐소드 구조체 집단들의 멤버들을 전기적으로 분리하는 전기적 절연 미세다공성 분리기 재료를 포함하고, 상기 애노드 및 캐소드 구조체 집단들의 멤버들은 세로 방향으로 교대 시퀀스로 배열되고;
상기 애노드 구조체들의 집단의 각각의 멤버는 애노드 활성 재료의 층을 포함하고, 상기 캐소드 구조체들의 집단의 각각의 멤버는 캐소드 활성 재료의 층을 포함하고;
상기 캐소드 구조체들의 집단의 각각의 멤버는 상기 2차 배터리가 충전 상태에 있을 때 제1 단면 면적 C1을 갖고, 상기 2차 배터리가 방전 상태에 있을 때 제2 단면 면적 C2를 갖고, 방전 상태에서의 상기 캐소드 구조체들의 제2 단면 면적 C2는 충전 상태에서의 상기 캐소드 구조체들의 제1 단면 면적 C1 초과이고, 상기 캐소드 구조체들의 집단의 멤버들의 서브세트의 상기 제2 단면 면적 C2 대 상기 캐소드 구조체들의 집단의 멤버들의 서브세트의 상기 제1 단면 면적 C1의 비율은 충전 상태로부터 방전 상태로의 상기 2차 배터리의 방전 시에 적어도 1.05:1이고;
상기 충전 상태는 상기 2차 배터리의 정격 용량(rated capacity)의 적어도 75%이고, 상기 방전 상태는 상기 2차 배터리의 정격 용량의 25% 미만인 2차 배터리. - 제184항에 있어서, 상기 제2 단면 면적 C2 대 상기 제1 단면 면적 C1의 비율은 1.05:1 내지(15):1의 범위에 있는 2차 배터리.
- 제184항 또는 제185항에 있어서, 상기 제2 단면 면적 C2 대 상기 제1 단면 면적 C1의 비율은 1.05:1 내지 6:1의 범위에 있는 2차 배터리.
- 제184항 내지 제186항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 전극 어셈블리는 충전 상태와 방전 상태 사이의 상기 2차 배터리의 사이클링 시에 상기 세로 방향으로의 상기 전극 어셈블리의 성장을 적어도 부분적으로 저지하는 전극 제약들의 세트를 추가로 포함하는 2차 배터리.
- 제184항 내지 제187항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 전극 제약들의 세트는,
제1 및 제2 1차 성장 제약들 및 적어도 하나의 1차 접속 멤버를 포함하는 1차 제약 시스템- 상기 제1 및 제2 1차 성장 제약들은 상기 세로 방향으로 서로 분리되고 상기 적어도 하나의 1차 접속 멤버는 상기 제1 및 제2 1차 성장 제약들을 접속함 -을 포함하고, 상기 1차 제약 시스템은 상기 2차 배터리의 사이클링 시에 상기 세로 방향으로의 상기 전극 어셈블리의 성장을 적어도 부분적으로 저지하는 2차 배터리. - 제184항 내지 제188항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 1차 제약 시스템은, 상기 2차 배터리의 20개의 연속적인 사이클들에 걸쳐 상기 세로 방향으로의 상기 전극 어셈블리의 페렛 직경(Feret diameter)에서의 임의의 증가가 20% 미만이도록, 상기 세로 방향으로의 상기 전극 어셈블리의 성장을 저지하는 2차 배터리.
- 제184항 내지 제189항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 1차 제약 시스템은, 상기 2차 배터리의 50개의 연속적인 사이클들에 걸쳐 상기 세로 방향으로의 상기 전극 어셈블리의 페렛 직경에서의 임의의 증가가 20% 미만이도록, 상기 세로 방향으로의 상기 전극 어셈블리의 성장을 저지하는 2차 배터리.
- 제184항 내지 제190항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 1차 제약 시스템은, 상기 2차 배터리의 100개의 연속적인 사이클들에 걸쳐 상기 세로 방향으로의 상기 전극 어셈블리의 페렛 직경에서의 임의의 증가가 20% 미만이도록, 상기 세로 방향으로의 상기 전극 어셈블리의 성장을 저지하는 2차 배터리.
- 제184항 내지 제191항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 1차 제약 시스템은, 상기 2차 배터리의 1000개의 연속적인 사이클들에 걸쳐 상기 세로 방향으로의 상기 전극 어셈블리의 페렛 직경에서의 임의의 증가가 20% 미만이도록, 상기 세로 방향으로의 상기 전극 어셈블리의 성장을 저지하는 2차 배터리.
- 제184항 내지 제192항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 1차 제약 시스템은, 상기 2차 배터리의 20개의 연속적인 사이클들에 걸쳐 상기 세로 방향으로의 상기 전극 어셈블리의 페렛 직경에서의 임의의 증가가 5% 미만이도록, 상기 세로 방향으로의 상기 전극 어셈블리의 성장을 저지하는 2차 배터리.
- 제184항 내지 제193항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 전극 제약들의 세트는,
제2 방향으로 분리되고 적어도 하나의 2차 접속 멤버에 의해 접속되는 제1 및 제2 2차 성장 제약들을 포함하는 2차 제약 시스템을 추가로 포함하고, 상기 2차 제약 시스템은 상기 2차 배터리의 사이클링 시에 제2 방향으로의 상기 전극 어셈블리의 성장을 적어도 부분적으로 저지하고, 상기 제2 방향은 상기 세로 방향에 직교하는 2차 배터리. - 제184항 내지 제194항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 2차 성장 제약 시스템은 상기 2차 배터리의 반복 사이클링 시에 20개의 연속적인 사이클들에 걸쳐 상기 제2 방향으로의 상기 전극 어셈블리의 페렛 직경에서의 임의의 증가가 20% 미만이도록 상기 제2 방향으로의 상기 전극 어셈블리의 성장을 저지하는 2차 배터리.
- 제184항 내지 제195항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 2차 성장 제약 시스템은 상기 2차 배터리의 10개의 연속적인 사이클들에 걸쳐 상기 제2 방향으로의 상기 전극 어셈블리의 페렛 직경에서의 임의의 증가가 10% 미만이도록 상기 제2 방향으로의 상기 전극 어셈블리의 성장을 저지하는 2차 배터리.
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